高阻尼粘弹性阻尼器的有限元数值分析.pdf-资料库

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中国科技论文在线高阻尼粘弹性阻尼器的有限元数值分析 # http://www.paper.edu.cn 5 10 15 20 25 30 35 万志威 1，陈云 2** （1. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092； 2. 海南大学土木建筑工程学院，海口 570228）摘要：本文对高阻尼粘弹性阻尼器进行研究，采用 ABAQUS 软件对其进行有限元数值模拟分析，研究了不同应变幅值对其力学性能及应力分布的影响，分析结果表明：高阻尼粘弹性阻尼器在小应变下即开始耗能，随应变幅值增大，其滞回环面积及各项力学性能相应增大；粘弹性材料层在剪切耗能过程中应力分布由外侧向内侧增大，在内侧边缘处达到极大值。关键词：结构工程；高阻尼；粘弹性阻尼器；数值模拟中图分类号：TU352.12 Finite element analysis of high damping viscoelastic damper (1. State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai WAN Zhiwei1, CHEN Yun2 200092, China; 2. College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China) Abstract: In this paper, a study on high damping viscoelastic damper was presented. The influences of different strain amplitude on the mechanical property and stress distribution of the damper were investigated by conducting the numerical simulation with the aid of commercial software ABAQUS. The result show that the high damping viscoelastic damper begin to consume energy at a small strain, the hysteresis loop area and the mechanical properties increase with the increase of the strain amplitude. The stress distribution of the viscoelastic material layer increases from the outside to the inside during the energy dissipation process, reaching the maximum value at the inner edge. Key words: structural engineering ; high damping ; viscoelastic damper ; numerical analysis 0 引言粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和钢板经高温高压硫化而成的，一般通过其中的粘弹性材料的剪切变形来耗散。最初粘弹性阻尼器用于涉及航空航天和军工业领域的振动疲劳控制，在建筑结构中最早被用于控制结构的风振下的响应[1]。最近十几年，研究人员开始将粘弹性阻尼器用于控制结构的地震反应，我国于 20 世纪 90 年代开始进行粘弹性阻尼器方面的研究 [2-4]，逐渐将其应用于结构抗震设计方面 [5, 6]。市面上已研发的粘弹性阻尼器的损耗因子和极限剪切应变较小，耗能能力有限，实际工程中需要布置较多数量才能达到一定的减震效果。本文对无锡一材料公司新研发的高阻尼粘弹性阻尼器进行研究，该高阻尼粘弹性阻尼器具有变形能力大、耗能能力强的特点。本文采用 ABAQUS 软件依据其检测报告对其粘弹性材料进行数值模拟，并在此基础上分析其应变基金项目：国家自然科学基金资助，51408170；海南省重点研发计划，ZDYF2016151；海南省科协青年科技英才创新计划，201501 作者简介：万志威（1992-），男，硕士研究生，研究方向为结构减震通信联系人：陈云（1980-），男，副教授，研究方向为工程结构抗震与防灾. E-mail: chenyunhappy@163.com - 1 -

中国科技论文在线幅值对粘弹性阻尼器力学性能的影响。 1 粘弹性阻尼器模型建立 1.1 有限元模型建立及单元采用 http://www.paper.edu.cn 粘弹性阻尼器主要是由粘弹性材料、中间钢板、约束钢板和连接板构成，粘弹性材料层、中间钢板、约束钢板通过高温高压硫化为一体，再通过高强螺栓与连接板连接。其构造如图 1 所示。在有限元建模时需要明确的是粘弹性材料层是关键参数，以此为原则对模型进行建模，其余部件包括中间钢板一块，约束钢板两块，连接钢板三块，连接螺栓 12 件，分别建模后按图 1 组装形成一体，组装模型图如图 2 所示。粘弹性材料采用三维八节点六面体杂交单元（C3D8H）来模拟[7]，其他部件采用八节点六面体线性减缩积分单元（C3D8R）模拟。粘弹性层的橡胶和钢板是通过高温高压硫化而成，在实际使用中橡胶和钢板都是紧密粘结的且极少出现剥离现象，因此对橡胶和钢板的接触面使用刚接（Tie）连接，其他部件在对应的接触面上也分别使用合理的接触对使之结合成为一个完整的阻尼器，（a）粘弹性阻尼器主视图（b）粘弹性阻尼器侧视图图 1 粘弹性阻尼器构造图（c）粘弹性阻尼器轴视图 Fig. 1 Constitution diagram of viscoelastic damper 图 2 粘弹性阻尼器有限元模型 Fig. 2 Finite element model of viscoelastic damper 1.2 材料定义约束钢板、中间钢板以及连接件均采用 Q345 钢，考虑其实际工作状态，将其处理为线 - 2 - 40 45 50

55 60 65 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 弹性材料。对于粘弹性材料，其材性模拟包含了超弹性本构模型以及粘弹性本构模型两方面。超弹性本构模型的部分，由于本文加载应变范围较大，采用大应变下适应性较好的 Yeoh 模型[8, 9]；粘弹性本构模型使用 ABAQUS 中 Prony 序列来模拟，材料常数可通过粘弹性材料的试验数据拟合确定。 1.3 边界条件及加载对粘弹性阻尼器一端钢板采用固接形式，在自由端施加剪切位移进行加载，并仅放松自由端剪切方向的变形，约束其他方向的变形。采用正弦波加载，加载频率取 1Hz。加载幅值分别取 20%、50%、100%、120%和 150%的剪切应变。 2 滞回性能分析为探究高阻尼粘弹性阻尼器的加载幅值相关性，通过有限元模拟对阻尼器施加 20%、 50%、100%、120%、150%剪切应变时的加载幅值，得到粘弹性阻尼器的滞回曲线如图 3 所示。（a）剪切应变为 20%时滞回曲线（c）剪切应变为 100%时滞回曲线（b）剪切应变为 50%时滞回曲线（d）剪切应变为 120%时滞回曲线（e）剪切应变为 150%时滞回曲线图 3 不同应变幅值下粘弹性阻尼器滞回曲线 Fig. 3 Hysteretic curves of viscoelastic damper under different strain amplitude - 3 -

70 75 80 85 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 由图可知，高阻尼粘弹性阻尼器在小应变下即开始耗能，且其滞回曲线饱满、稳定，表现了良好的耗能能力。随着应变的增大，其滞回环也相应增大，滞回环的形状保持良好，在应变大于超过 100%开始逐渐出现反 S 形的滞回曲线，应变硬化增强，刚度增大。本文粘弹性阻尼器的变形、刚度、耗能特性采用表观剪应变 γ（剪切位移除以橡胶层厚度）、最大剪应力 τ（最大阻尼力除以橡胶层剪切面积）、存储剪切模量 G’（最大位移时恢复力除以表观剪应变）、损耗剪切模量 G’’（零位移时剪切力除以表观剪应变）来表征。根据相应数据得到粘弹性阻尼器相关性能参数，如表 1 所示。表 1 粘弹性阻尼器力学性能参数 Tab. 1 Mechanical parameters of viscoelastic damper 剪切应变最大剪应力/MPa 存储剪切模量/MPa 损耗剪切模量/MPa 20% 50% 100% 120% 150% 0.552 1.387 2.883 3.580 3.903 0.504 1.265 2.511 3.105 3.442 0.225 0.568 1.175 1.438 1.178 由表 1 可以看出随着应变幅值的增大，高阻尼粘弹性阻尼器的各项力学性能明显增大，加载幅值相关性明显。但当剪切应变达到 150%时，高阻尼粘弹性阻尼器的损耗剪切模量反而略有下降，这一现象是由于此时的粘弹性材料开始逐渐呈现出应变硬化增强所导致的。 3 应力分布分析粘弹性阻尼器是由钢板和粘弹性材料层经过高温高压硫化而成一体，其在耗能变形过程中的应力分布能够反映钢板和粘弹性材料的粘结能力是否满足要求，也能够反映粘弹性阻尼器中易产生破坏和脱裂的区域，从而进一步明确粘弹性阻尼器构造设置的合理性。这里选取了粘弹性材料在剪切位移加载作用下耗能变形时的应力分布进行分析，从而明确粘弹性阻尼器构造形式对其应力分布特点的影响和应力分布极值点。如图 4 为粘弹性阻尼器中粘弹性材料层在 20%、50%、100%、120%、150%剪切应变下的应力云图，从图中可知，粘弹性材料应力分布比较对称，应力分布的极值点出现在内侧的边缘。下面将对其具体的应力值分布做详细的对比而进一步明确其应力分布特点。（a）剪切应变为 20%时应力云图（b）剪切应变为 50%时应力云图 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn （c）剪切应变为 100%时应力云图（d）剪切应变为 120%时应力云图 90 95 （e）剪切应变为 150%时应力云图图 4 不同应变幅值下粘弹性阻尼器应力云图 Fig. 4 Stress distribution of viscoelastic damper under different strain amplitude 从图中可以看出粘弹性阻尼器的粘弹性层在变形过程中应力分布比较连续，在两块粘弹性层的左右及上下方向均呈对称分布，20%及 50%剪切应变下粘弹性材料的应力均未超过 2MPa，在 100%剪切应变幅值作用下粘弹性材料的最大应力值为 4.40MPa，在 150%剪切应变幅值作用下最大应力值为 7.03MPa，均发生在内侧上下边缘处。在 100%剪切应变幅值作用下粘弹性材料的最小应力值为 2.41MPa，在 150%剪切应变幅值作用下最小应力值为 3.89MPa，均发生在外侧上下边缘处，应力极大值与极小值相差不超过 50%，且过渡比较平缓。综上所述，粘弹性阻尼器中粘弹性材料层应力分布比较对称，在厚度方向上表现出外侧 100 向内侧逐渐增大的趋势，在内侧边缘处达到极大值，即内侧边缘处为易破坏区域，粘弹性阻尼器构造形式下对于该粘弹性材料层的应力分布是合理的。 4 结论通过本文分析，初步得出以下结论：（1）高阻尼粘弹性阻尼器在小应变下即开始耗能，且能全阶段保持良好的耗能能力，粘弹性阻尼器的滞回环及各项力学性能与加载幅值相关性明显，在剪切应变大于 100%后开 - 5 -

中国科技论文在线始逐渐出现反 S 形的滞回曲线，应变强化增强，刚度增大。 105 http://www.paper.edu.cn （2）高阻尼粘弹性阻尼器在耗能变形过程中应力分布总体由外侧向内侧增大，并大致呈现出粘弹性材料层内侧边缘应力大的特点，粘弹性阻尼器构造形式下对于该粘弹性材料层的应力分布是合理的。 110 [参考文献] (References) 115 120 [1] Mahmoodi P. Structure dampers[J]. Journal of the Structure Division, 1969, 8(95): 1661-1672. [2] 柴键. 粘弹性阻尼器动态特性研究[J].甘肃工业大学学报，1995，21(01)：42-46. [3] 方鄂华，高赞明，谭晓明. 安装有粘弹性阻尼器的框架的试验和数值分析[C].第五届全国结构工程学术会议，中国海南海口，1996. [4] 吴波，郭安薪. 粘弹性阻尼器的性能研究[J]. 地震工程与工程振动，1998(02)：108-116. [5] 龚顺明. 带黏弹性阻尼器结构抗震性能试验研究及数值模拟[D]. 上海：同济大学，2014. [6] 周云. 粘弹性阻尼减震结构设计理论及应用[M]. 武汉：武汉理工大学出版社，2013. [7] 王利荣，吕振华. 橡胶隔振器有限元建模技术及静态弹性特性分析[J]. 汽车工程，2002，24(6)：480-485. [8] 王国权，刘萌，姚艳春，等. 不同本构模型对橡胶制品有限元法适应性研究[J]. 力学与实践，2013，35(4)： 40-47. [9] 黄建龙，解广娟，刘正伟. 基于 Mooney-Rivlin 模型和 Yeoh 模型的超弹性橡胶材料有限元分析[J]. 橡胶工业，2008，55(8)：467-471. - 6 -

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