新型阻尼器的设计与试验研究
粘滞阻尼器具有较高的能量吸收率,能够向结构提供较大的阻尼,当结构变形很大时,阻尼器的阻抗力很小,从而使结构受力较为合理,因此在国内外得到了广泛的研究和应用。
粘滞阻尼器的容量是检验其工作特性的一个重要指标。为了增大阻尼器的容量,除了采用高粘度的阻尼材料外,阻尼器的内部结构也是变化多样[1-4]。其中阻尼孔的使用最为广泛,这类阻尼器在密闭容腔内装满黏性流体阻尼材料,当活塞相对缸体移动时,迫使阻尼材料流过阻尼孔产生阻尼。阻尼材料和阻尼孔的形状不同使得这类阻尼器分为线性粘滞阻尼器和非线性粘滞阻尼器,前者的阻抗力随冲击速度成比例变化,后者其阻抗力随着速度的变化小于前者,所以适用于防护受高速冲击的环境。
对于舰艇管路系统,由于水下爆炸导致的冲击速度很高,而管路的许用应力较小[5, 7],所以研究切实可行的高非线性阻尼器非常必要。本文根据管路系统的高冲击速度和低阻抗力峰值这一要求,设计了阻尼孔式的分段复合新型阻尼器,通过冲击试验研究了阻尼器的动力学特性,并将其与Enidine公司的Pro225阻尼器进行比较。
1 粘滞阻尼器的构造
在冲击速度一定的情况下,阻尼器的阻抗力取决于阻尼器的阻尼系数,而阻尼系数不但与阻尼材料有关,还与阻尼器的结构形式有关[8],所以为了减小阻尼器的阻抗力,并且增大阻尼器的容量,我们设计阻尼器的结构形式如图1:
当外界冲击活塞杆时,活塞相对缸体运动,缸体内流动阻尼材料被迫流过活塞和缸体之间的间隙环,产生粘滞阻抗力。阻尼器内缸母线为一根据理想的缓冲特性曲线数值计算得到的曲线,使活塞与缸体之间的间隙随着活塞位移的增加而越来越小,阻尼系数越来越大。这样确保了冲击速度减小时仍然有比较大的阻尼力,而在冲击到来的瞬间,冲击速度很大而阻尼系数小则阻尼力不会很大,保持了基本恒定的阻抗力。该结构既减小了整个缓冲过程中的阻尼力峰值,又增加了缓冲容量。
2 阻尼器内表面母线的数值计算
最为理想的阻尼器缓冲特性曲线是矩形[9],即冲击到来时阻抗力迅速升高,然后保持恒定,冲击结束时迅速减小为零。为了到达这个要求,新型阻尼器容腔的母线需要数值计算求出。
根据理想的缓冲特性曲线,我们对跌落试验建模如图2。由于阻尼器和底座是刚性连接的,并且其质量主要作用在底座上,所以我们忽略阻尼器质量对我们所研究的单自由度系统的影响,则系统质量就是跌落锤的质量m。对于阻尼器其阻尼力是速度的幂律函数,即f=cdvn,其中cd是阻尼系数, v是速度,n是速度相关指数。则在该理想的单自由度系统中有以下表达式:
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