文摘

在地震激励,摩擦阻尼器可能会经历许多周期的动态加载。穿的效果和热诱导的循环荷载导致的衰变滑动负载后来减少阻尼器的能量吸收。本文动态加载的影响对滞回行为的一种特殊的摩擦阻尼器,即圆柱摩擦阻尼器(CFD),通过实验手段研究以及数值模型也占耦合thermal-structural交互。阻尼器被认为是更容易受到热变形由于冷缩配合机制,设备组装。数值模型验证实验,可以用于模拟摩擦阻尼器的动态循环加载。结果表明,滑动负载减少时逐渐受到连续周期。这种漂移是由于热变形。验证数值模型是用来改善CFD的几何形状。与几何改进实施,随后的数值研究证实,几乎没有滑动负载发生退化。此外,作者引入一个无量纲参数的显示差价合约的磨损对响应的影响。

1。介绍

摩擦设备一直在机械和结构工程用于吸收和消散的能量。效率和便利的阻尼器使其合适的候选人在动态载荷下阻尼机制。利用基于摩擦阻尼器抗震结构有许多优点超过其他类型的耗能设备。其中包括低成本的制造和维护,也不太容易受到环境的影响,以及对环境温度的变化不太敏感。此外,没有产生严重的地震后发生在这样的阻尼器,不需要更换。

幕和沼泽1)首次提出滑板摩擦阻尼器安装在十字路口X-braces的联合。其他各种类型的摩擦设备被其他研究者提出的。吴et al。2]介绍了改进笼罩摩擦阻尼器(IPFD),而复制笼罩摩擦阻尼器的力学性能,但提供了一些优势而言,易于制造和组装。住友摩擦阻尼器(3)利用一个更复杂的设计相比,笼罩在摩擦阻尼器。预压内部弹簧施加一个力,通过内部和外部的行动楔形转换成摩擦衬垫上的法向力。福陆丹尼尔inc .开发和测试另一种类型的摩擦装置叫做能量消散克制(EDR) [4]。摩擦阻尼器的设计类似于住友摩擦阻尼器,因为这设备还包括一个内部弹簧和楔形装在钢瓶。EDR利用钢和铜摩擦块轴向弹簧力转化为正常压力缸。Mualla和Belev5]提出了摩擦阻尼装置(FDD)和执行测试来评估摩擦衬垫材料。Monir和Zeynali6]介绍了测试和修改后的摩擦阻尼器(打),类似于棺罩摩擦阻尼器;然而它是应用于斜撑。最上面的摩擦阻尼器是由一组金属板,依靠摩擦系数和锚杆支护系统提供的锁模力。放松或夹紧元素,如春天的放松或螺栓通过滑动加载的时间可能导致衰变。陈等人。7]介绍了压电摩擦阻尼器(PFD)。这种阻尼器的夹紧力是由压电致动器。然而,基于压电摩擦阻尼器并不适用于建筑结构由于压电驱动器产生的力很小。此外压电致动器是不划算的。Agrawal和杨8)提出了一个电磁摩擦阻尼器。这个设备是基于摩擦力的规定使用电磁场在阻尼器。类似于压电的激活的基于电磁设备也可以产生力量很小的值。最近,Mirtaheri et al。9)提出了一个创新的类型的摩擦阻尼器称为圆柱形摩擦阻尼器(CFD)。差价合约的不锈钢生产通过不使用任何类型的表面摩擦夹紧弹簧或螺栓等元素。除了建造成本降低是由于系统的简单性。这些阻尼器由两个主要部分组成,内轴和外筒。这两个部分组装,这样一个是shrink-fitted里面。

在地震激励,摩擦阻尼器可能会经历许多周期的动态加载。穿的效果和热诱导的循环荷载导致的衰变滑动负载。这被认为是一个重大问题。因此,根据各种规格如土木/ SEI 41-06 [10]使用的阻尼器的任何类型和大小在设计之前必须测试通过原型的建设利用他们在实际结构。这些原型必须与20完全扭转周期测试频率等于结构的基本频率。执行这样的动态循环测试与大滑动负载和大阻尼器冲程长度要求执行机构中非常大的大小和不切实际的使用。因此,验证数值模型的使用是一个很好的替代实验测试所要求的规范。

本文的目的是探讨动态加载的影响和热滞回行为的差价合约产生的摩擦,进而可能导致系统的能量吸收能力的衰退。由于摩擦热的影响也有效的粘性和粘弹性等其他类型的阻尼器。然而,CFD更容易受到这个问题是由于这种阻尼器的夹紧力是由热配合机制。动态加载引起的磨损的影响也在调查中。

动态加载测试执行两个不同频率的0.45赫兹和0.7 Hz频率接近典型midrise建筑。数值模型也开发了一系列调查CFD的滞回行为的耦合thermal-structural分析。这些模型比较,验证了实验结果。模型的验证后,他们被用于优化几何更稳定的滞回阻尼器部分的行为。这是通过一些简单但重要的CFD的几何变化导致几乎微不足道这个阻尼器的滞回行为的衰变。

2。热量和磨损的影响摩擦阻尼器的滞回行为

摩擦阻尼器的运动部件产生热导致的温度上升。这些热量然后转移通过阻尼器内的元素。温度的增加可能影响阻尼行为在两个方面,一个是热变形的元素,另一个是改变机械和完成随后的滑动表面的性质影响磨损率。

另一方面,穿本身可以影响阻尼器的滞回行为。从工程的角度来看,穿通常分为轻微磨损率低或严重磨损率高的(11]。前者是一个过程,使接触表面平滑比原来的状态,而后者使接触表面粗糙比原来的状态。因此,穿可能以两种方式影响阻尼器的滞回行为;一是去除材料表面接触导致薄盘子和更少的夹紧力,另一个是改变摩擦系数。

因此,当动态加载被认为是在摩擦阻尼器,结构和热过程是相互联系的。这些过程可能导致增加或减少滑动负载的周期。因此,为了获得一个稳定的滞回行为,一个人应该调查管理因素。因此,可以选择适当的几何参数对阻尼器的设计元素。在这项研究中,利用分析和实验方法,调节参数校准,达到一个稳定的滞回行为。

3所示。圆柱形摩擦阻尼器

CFD提出了Mirtaheri et al。9)作为一种创新的摩擦阻尼器不使用螺栓或其他机械自负元素诱导接触表面之间的摩擦。CFD的主要部分是轴和缸,如图1。这两个部分组装,这样一个是shrink-fitted里面。圆柱形元素的内径略小于接触长度的轴的直径,。导致增加加热圆柱部分的直径和常温轴可以很容易地放置到汽缸。接触表面之间的夹紧压力将达到热平衡。如果阻尼力超过静态摩擦负荷,缸内的轴将在相当大的机械能量吸收和结果摩擦。

4所示。CFD动态荷载作用下的试验研究

4.1。CFD原型制造

200 kN能力CFD标本与铬涂层的钢轴和高度抛光表面接触缸用于实验。这种能力是一个典型的分析中获得的价值上升的建筑。静态和动态摩擦系数()获得基于几个测试。的值和分别是0.286和0.224。利用特殊技术改善为了使接触表面和接近对方。

4.2。测试设置

CFD标本测试在垂直位置如图2万能试验机。250 kN的致动器的容量。图3显示了致动器CFD标本的连接。致动器配备一个内部变量线性位移传感器(线性)和负载细胞与气缸,与连接到电子数据采集系统。

4.3。实验结果

最初的CFD的滞回行为实现在两个不同频率的0.45赫兹和0.7赫兹。测试进行水平位移40毫米和50毫米低于停摆的阻尼器。的测试周期,利率,进行测试,如表所示1。每个测试用例标本之前冷却后进行下一个测试。

数据4,5,6代表测试用例的力-位移曲线滞后C,分别。在先前的研究中所示(9),CFD展品古典摩擦阻尼器的矩形磁滞回路。几乎相同的性能记录在压缩和紧张。表2比较每个周期的滑动载荷的加载测试用例A到C的平均价值的最大偏离平均滑动负载14.82,15.66,和15.12的测试用例,B和C,分别。可以注意到,滑动负载的原型显然是在连续回落周期。滑动负载的漂移可能被视为磨损表面接触的结果。然而,比较测试用例的滑动负载A和B,所有测试条件相似,揭示了事实的漂移是由于影响的内部元素生成的热量在阻尼器在测试。在测试用例,七个周期加载应用于样品在0.45赫兹的频率。随后,标本是冷却和相同条件下的重复测试(测试用例B)图7比较了滑动负载不同周期的这两个测试用例。可以看出,滑动加载相应周期的测试用例和B是几乎相等。此外,第一个周期的滑动载荷加载几乎是平等的测试用例。这意味着,当试样冷却下来,初始滑移负载恢复。

5。分析研究磨损的影响

预计滑动负载,随着滑动长度不同,倾向于积累;也就是说, 在哪里接触面积,摩擦系数,接触压力。就像前面提到的强烈相互作用的结构和热过程导致阻尼器响应。为了简单起见,让我们只考虑磨损的影响。一个简单的模型用于描述滑动磨损由于移动部件如下Archard磨损方程(12]: 在哪里是穿位移,是特定的磨损系数,滑移长度,接触压力。当可能不同,Archard方程写如下:

计算流体动力学,计算如下(9]: 在哪里和的内外半径圆柱,分别和的区别是在轴的直径和汽缸沿接触长度。滑动时,轴和外部缸可能穿及其半径减少。因此,减少等于。因此减少了接触压力如下:

用(3)(5)导致 整个接触压力的减少由于穿的时间间隔内集成,可以获得包括滑动长度:

用(7)(1)导致

它可能是假定在循环加载接触压力是恒定的。这种假设是保守的,因为它使得减少滑动负载高估了。也所有周期是假定为常数。后者的假设是正确的,如果发生轻微磨损。如果发生严重的磨损,摩擦系数的增加反过来可能导致增加滑动负载周期。几个实验测试进行CFD找到限制接触压力导致严重磨损和接触压力的最终原型被选小于上述极限值。如果没有足够的实验数据,地图的磨损机制Lim和阿什比11可以使用)。这些假设导致删除下列方程的常量值从集成的迹象(7)和(8): 在哪里的减少滑动在一加载和循环加载是周期的总长度滑动。是一个积极的无量纲参数由作者和被称为衰减系数的滑动负载。

滑动加载后th的循环加载并且可以计算如下: 在哪里是初始滑移力。displacement-dependent设备要求的基础上评估/ SEI 41-06 [10),每台设备应装有20完全扭转周期。每个周期的滑移力不能相差超过正负15%的平均值滑动负载。的平均滑动负载20的循环加载,基础上,新开发的系数可以计算如下:

的最大偏离平均滑动负载计算如下:

因此,至关重要的价值,导致偏离平均水平15%,价值是多少。的具体磨损率系数是由测试=米³/ Nm CFD指定的接触表面。假设的价值,就等于0.000186,远低于临界值;因此穿的问题并不关心CFD进行测试。这个分析结果与测试结果基本一致。

6。数值研究CFD考虑Thermal-Structural交互

分析和实验研究得出结论,减少滑动负载可能归因于热变形而不是穿的效果。为了找到差价合约的几何参数对热变形的影响,达到优化设计的尺寸根据热量平衡内部元素的阻尼器,构造系统的数值模拟。CFD原型开发的三维有限元模型如图8。砖固体元素是用来模拟轴和气缸。这些元素与thermal-structural二十节点耦合能力。耦合建模与出入境或直接耦合。表面接触表面是用来模拟轴之间的摩擦和接触长度的圆柱体。利用对称,只有1/4的设备建模。应用对流表面加载外部表面的圆柱,双方的井筒热损失占到周围的环境。热的速度一代由于接触表面之间的摩擦 在哪里热通量,即单位面积上的热能,是摩擦的部分能量转化为热量,摩擦应力,是滑动率。因此,吸收的热量实心轴,吸收的热量,外部缸,,是由 在哪里是无量纲热系数分区和表达的(13] 在哪里是密度,比热容,是热导率,下标,和,分别代表气缸和轴。自缸和轴是用钢做的,分区计算热系数是0.5这意味着实心轴吸收的热量等于热量吸收外部圆筒。在这项研究中被认为是等于1。弹性和泊松比的模块是作为0.3 MPa和,分别。环境温度为20°C。热特性模型的表3。循环位移与实验应用到模型相似。由此产生的滞回曲线。对比实验和数值结果的滞回曲线叠加在同一图数据9和10。可以看出,数值结果匹配那些从实验获得反过来验证数值模型。

7所示。提高利用CFD几何验证数值模型

气缸和轴是用钢做的;因此,吸收外部热量圆柱实心轴是一样的。然而,实心轴更少质量比汽缸及其温度相比增加汽缸。这可能克服更多的对流的传热的汽缸,而不是轴。这种情况不能满足高温滑动负载的平衡,最终导致衰变。图11显示了比较两个节点的温度时间的历史,一个轴的外表面和内表面的其他缸,从数值分析获得。这种温差导致连续滑动负载的衰变周期。要克服的问题影响阻尼器的性能,CFD的几何修改如图12为了满足良好的热平衡。在改进的几何轴的半径略大于内部圆柱体的半径,导致固体之间的质量分布平衡轴和气缸。此外,长度的圆柱体被吸收的热量增加。数据13和14显示模拟滞回行为的一种改进的CFD设计滑动200 kN的负载。图13得到了相同条件下的实验测试用例A和B,也就是说,0.45赫兹的频率和7的加载周期,和图吗14获得相同条件下的实验测试用例C,即0.7赫兹的频率和10的循环加载。可以看到,稳定的力-位移曲线滞后明显增加。图15显示了比较两个节点的温度时间的历史,一个轴的外表面和内表面的其他缸。可以看到,有一个小区别节点温度的时间轴和汽缸的历史最终消除了漂移的滑动负载。

8。结论

动态加载的影响在圆柱形摩擦阻尼器的滞回行为(差价合约)实验和数值研究。实验在两个频率的0.45赫兹和0.7赫兹。结果表明,滑动负载在连续回落周期装货。也表明这漂移主要是归因于热变形由于摩擦产生的热量积累力量。CFD的滞回行为也调查了数值模型考虑直接thermal-structural耦合。这些数值模型验证了CFD的滞回行为获得的实验。验证数值模型被用来提高几何为了创造更多的差价合约热平衡。改进的几何是纳入数值模型导致几乎没有降解的滑动负载和稳定的滞回圈。一个无量纲参数称为衰减系数的作者介绍了滑动负载的显示了CFD的磨损对响应的影响。它进一步表明,磨损的可能出现的问题消除。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。