钢丝绳减振器垂向不对称迟滞特性分析

　　钢丝绳减振器是由钢丝绳绕成螺旋状并固定在沿螺旋母线布置的两块金属板之间制作而成的。它是一种干摩擦型隔振元件,具有明显的迟滞特性,其能量耗散来源于钢丝间的摩擦、挤压、滑移。由于它的隔振抗冲性能优良,现已在许多领域得到广泛应用[1]。钢丝绳减振器的垂向迟滞特性与变形大小有关,图1是HGGS-200型钢丝绳减振器分别在小变形和大变形下的试验迟滞特性曲线(图中变形正值代表拉伸,负值代表压缩),它们具有不同的规律:前者为对称的双线性迟滞曲线,而后者是不对称的迟滞曲线。

　　目前,钢丝绳减振器双线性迟滞特性已得到较为充分的研究,而不对称迟滞特性则相应研究得较少。钢丝绳减振器的垂向迟滞特性为何会随变形发生不对称变化,其不对称迟滞特性的数学模型应如何构筑?这些问题都值得我们做进一步的探讨。

　　1　迟滞特性的非线性弹性恢复力

　　钢丝绳减振器迟滞恢复力可分解为干摩擦阻尼力和弹性恢复力。其中,弹性恢复力的产生仅与变形有关,而与变形速度无关。弹性恢复力是影响迟滞特性的重要因素,其变化规律与减振器的结构力学特性有着密切关系。因此,对于图1迟滞曲线的不对称变化,可考虑从减振器结构角度进行分析。

　　图2是钢丝绳减振器的结构单元,钢丝绳是主体弹性元件,它以横向螺旋形式固定在上、下金属夹板之间,而外载荷通过上、下金属夹板作用在钢丝绳上。外载荷有多个方向,主要承载方向是垂向(即图2中的y方向)。垂向作用与减振器横向结构形式有着密切关系。从沿螺旋母线方向看,单元结构钢丝绳近似呈椭圆形式(如图2左侧分图)。为了分析椭圆结构形式对减振器垂向特性的影响,本文提出以下分析思路:将钢丝绳绳索视为各向同性材料的弯曲梁,采用理论方法进行结构力学计算,并和钢丝绳减振器试验曲线比较,从中分析结构形式与垂向特性的关系。

　　周强曾用解析方法分析钢丝绳减振器的结构力学特性,他将钢丝绳减振器简化为受拉或受压环,以弯曲梁基本方程、曲率公式和弯矩方程为基础,建立了形状控制方程,并以此为基础计算力和变形的关系[2]。然而,由于篇幅限制,文章没有详细介绍推导和计算过程,相关方法的具体应用存在一定难度。其实,目前对复杂曲梁力学分析较为成熟的是有限元法,它主要是根据Reissner提出的三维曲线梁理论[3]。Simo和Vu2Quoc、Ibrahimbegovic曾先后对曲梁的几何非线性有限元分析进行了研究[4]-[5],其研究成果已在许多商业有限元程序的曲梁问题分析中得到应用,并得到验证。因此,出于准确和简便方面考虑,本文采用有非线性有限元法分析结构对减振器力学特性的影响。