谈流体改善型粘滞流体阻尼器

摘要：本文在普通粘滞流体阻尼器的基础上，研制出了一种改性粘滞流体材料的新型粘滞阻尼器，并进行了粘滞流体阻尼器的力学性能试验。试验研究了粘滞流体阻尼器的输出阻尼力与激振频率、位移幅值和阻尼材料粘度变化的关系，并通过试验数据回归出了阻尼器阻尼力的计算公式。
关键词：阻尼器；粘滞流体阻尼器；输出阻尼力

引言
粘滞性流体阻尼器是一种使用比较广泛的减震、隔震设备，它一般是利用活塞推动油缸中的油通过节流孔时产生阻尼力，将结构振动的部分能量通过阻尼器中粘滞流体阻尼材料的粘滞耗能耗散掉，达到减小结构振动（地震和风振）反应的目的。本文在普通粘滞阻尼器的研究基础上，对自行设计研制的新型粘滞流体阻尼器进行力学性能试验，研究粘滞阻尼器输出阻尼力随激振频率、位移幅值和阻尼介质粘度变化的关系。建立力学模型，标定其性能参数。
粘滞流体阻尼器的基本理论

2.1 粘滞流体材料的耗能机理

材料有弹性材料和粘性材料之分，理想弹性材料只能储存能量，而不能耗散能量；相反理想粘性材料则只能耗散能量，而不能储存能量，即无刚度；粘弹性材料则既能储存能量，又能耗散能量；然而在实际的工程应用中理想的粘性或弹性材料是不可获得的。
流体分子之间存在相互吸引的内聚力，流体和固体之间又作用着附着力，流体能承受较大的压应力，却几乎不能承受拉应力，对剪切应力的抵抗极弱，不管作用的剪切力是怎样的微小，流体总会发生连续变形，这就是流体的易流性。流体在流动时呈现出内摩擦力，这个力的大小一方面取决于流体的种类，另一方面也与运动状态有关。粘性有机流体材料分子与分子之间的内聚力或物理缠结较弱，分子与分子之间很容易产生相对运动，分子内部的化学单元也能自由旋转，因此，在很小的外力作用下，分子之间会产生相对变形、滑移、扭转，当外力除去后，分子间的变形、滑移、扭转基本上不能复原，这是粘性材料的粘性表现。

2.2粘滞流体的类型与特征

依据在简单剪切流中剪切应力与剪切应变速度之

摘自：毕业论文任务书www.udooo.com

间关系的不同，粘滞流体可以分为牛顿流体和非牛顿流体[3] [4] 。
牛顿内摩擦定律：不可压缩的流体流动时，流体的剪切应力与剪应变速度成正比，即 （1）
式中 ——剪应力；——剪应变速度；
——牛顿流体的动力粘度（在一定温度和压力下为常数）。
当流体满足公式（1）时，剪应力与剪应变速度呈线性关系，即为牛顿流体，如水、空气等；不满足时，流体剪应力与剪应变速度呈非线性关系，称为非牛顿流体，如沥青、水泥浆以及大多数的油类、高聚物等。
依据在简单剪切流中非牛顿流体的粘度函数与剪切持续时间是否有关，非牛顿流体可以分为非时变性非牛顿流体和时变性非牛顿流体。
粘滞流体阻尼器的恢复力模型
为正确分析附加粘滞阻尼器结构的抗震性能，首先必须确立粘滞阻尼器的恢复力模型。目前国内外普遍采用的模型主要有：线性模型、Kelvin模型和Maxwell模型[5] [6]。

3.1线性模型

线性模型中，阻尼器出力取决于速度，阻尼力可由下式表达：
（2）
式中 ——线性粘滞阻尼器的阻尼系数；——运动速度。
检测设有正弦简谐波作用于线性粘滞阻尼：（3）
式中 、、为波幅、频率和时间。可得阻尼力为：（4）
联立上述式子可得力和位移的关系为：
（5）
可见阻尼器的力和位移关系式符合椭圆关系。则阻尼器循环一周所消耗的能量：
（6）

3.2 Kelvin模型

如果线性粘滞阻尼器的性质取决于刚度，我们称这种模型为Kelvin模型。2-10所示。此外同样检测设有正弦简谐波作用于该阻尼器，则阻尼装置抗力的表达式为：
（7）
式中：阻尼器的储存刚度；C：阻尼器的阻尼常数；：阻尼力的幅值；：阻尼力与位移的相位差。
联立可得：
（8）
阻尼系数和储能刚度分别为：
（9）