粘滞阻尼器模型修正及关键参数的仿真研究

粘滞阻尼器模型修正及关键参数的仿真研究
郭畅;武一民;付强;刘志刚;潘克非
【摘要】According to the current situation,we use the fluid dynamics software Fluent for simulation study,and take consideration of the difference between the actual condition and the ideal simulation status of the testing Gap Viscous Damper to correct the model,and control the data error within 5％.On the basis of this simulation,we study the effect of the key parameters such as piston's length and gap size on the performance of the gap viscous damper,especially the effect law of the velocity index and the damping index.%结合某型粘滞阻尼器,通过流体动力学分析软件Fluent对粘滞阻尼器模型进行了仿真分析.考虑使用中阻尼器硅油黏度随温度变化及活塞自重引起的应力变形等实际情况,对模型和仿真进行了调整和修正,最终达到了仿真和试验结果误差在5％以内的较高精度要求.研究了活塞长度和间隙等关键参数对间隙式粘滞阻尼器性能的影响,尤其是对速度指数和阻尼系数的影响规律.
【期刊名称】《液压与气动》
【年(卷),期】2017(000)012
【总页数】6页(P101-106)
【关键词】粘滞阻尼器;模型修正;关键参数;仿真
【作者】郭畅;武一民;付强;刘志刚;潘克非
【作者单位】河北工业大学机械工程学院,天津300130;河北工业大学机械工程学院,天津300130;河北宝力工程装备股份有限公司,河北衡水053000;河北宝力工程
装备股份有限公司,河北衡水053000;河北工业大学机械工程学院,天津300130【正文语种】中文
【中图分类】TH137
随着中国经济的发展和工程建筑技术的进步，各种高层建筑、桥梁不断涌现。

为了保护其免受地震、强风的破坏，出现了很多减振、隔振装置，其中粘滞阻尼器在桥梁减振中应用较广泛。

粘滞阻尼器由于其尺寸大、结构重等特点，实验受到拉伸试验机吨位限制，组织实验困难。

目前国外对粘滞阻尼器开展了相应的技术研究，已基本掌握阻尼器的设计及应用[1-3]，国内相关机构也开展了相应的实验研究，但理论设计、分析还存在
一定差距[4-7]。

本研究针对某型桥用粘滞阻尼器，参照试验工况，应用流体动力
学分析软件对粘滞阻尼器进行仿真及模型修正，确定影响粘滞阻尼器阻尼力的关键参数，研究关键参数对粘滞阻尼器性能的影响，尤其是对阻尼器速度指数和阻尼系数的影响规律，为粘滞阻尼器结构设计及应用提供有效的理论依据。

在粘滞阻尼器的使用过程中，阻尼器的结构参数，诸如阻尼器的筒径、长度、阻尼孔的个数、活塞的尺寸，以及阻尼器内部的硅油黏度、阻尼器的工作温度等参数对粘滞阻尼器的性能有重要影响。

具体的影响规律视粘滞阻尼器的不同结构影响不同。

所研究的间隙式粘滞阻尼器是活塞头部分与缸筒内壁之间有一定间隙的阻尼器，其结构形式如图1所示。

为了揭示间隙式阻尼器结构中关键参数的影响规律，结合某公司生产的间隙式粘滞阻尼器为样本开展研究。

此粘滞阻尼器的结构参数如表1所示，在流体动力学分
析软件中，通过Gambit软件模块，将二维图纸的结构参数转化为实体建模，使
用3D动网格的相关技术[8-10]并选用UDF(User-Defined Function)来定义边界的运动[11-14]，建立此粘滞阻尼器有限元分析模型如图2所示，仿真中参照的试验工况如表2所示。

根据试验工况及粘滞阻尼器内部不同的硅油黏度，对粘滞阻尼器在不同速度条件下的阻尼力进行仿真分析，得到阻尼器不同黏度下的阻尼力仿真值与试验值的对比如图3～图6所示。

由图中可知，仿真值与试验值之间存在一定的偏差，在高速工况下试验值与仿真值随着速度v的增加偏差越来越大,因此需要对仿真模型进行误差分析及模型修正。

1.1 误差的影响因素分析
1) 活塞部分重力的影响因素
由于阻尼器在活塞部分的温度最高，其中活塞下部的温度比上部高，而阻尼器的结构是规则对称的，从理论上分析，活塞部分的温度分布应该是均匀的。

但活塞部分受重力作用，发生应力变形，活塞部分发生下沉，导致活塞上部的间隙变大，活塞下部的间隙变小。

这样就造成了活塞部分的下部温度比上部高的现象，为了提高仿真的精度，需要对活塞部分进行Ansys应力有限元分析。

设置活塞的材料参数如表3所示，对活塞进行变形分析的活塞截面总机械变形等值线云图如图7所示，活塞部分发生应力变形，变形量为0.02 mm。

活塞材料为40CrNiMoA。

2) 硅油黏度随温度变化的影响因素
由于流体的物理属性对阻尼器的工作性能影响很大，在阻尼器拉伸过程中，随着硅油温度升高黏度降低，导致阻尼力降低。

因此要考虑到实际工作中硅油黏度随温度变化的实际情况。

在仿真过程中适当调整各组温度值，得到相应的硅油黏度值，在仿真中发现其结果更加贴近试验值。

以这种方式确定的温度值更加接近实际阻尼器内部的温度值，试验中粘滞阻尼器筒壁外温度采集系统测定的温度值及仿真所得的温度值如表4、表
5所示。

对比仿真及试验温度，发现符合线性关系：
式中， T1为重新确定的温度值； T0为试验中测得的温度值，1.34为温度修正系数。

式(1)为T1～T0拟合函数； R2值为0.9884，其中R2为拟合曲线的决定系数，其值范围为0～1，越接近1，拟合的曲线越可靠。

式(1)拟合度极高，可以作
为参考依据。

通过式(1)，在仿真中确定硅油黏度这一参数时，首先需要将测得筒壁外温度值根
据公式进行修正，然后再根据修正的温度值通过粘温关系公式得到硅油的黏度，这样才能保证仿真的结果更加接近试验值。

1.2 模型修正及验证
根据上述影响因素的分析结果对模型进行修正，根据活塞受重力作用而产生应力变形的实际情况，在建立三维实体模型时需要将活塞部分向下移动0.02 mm，之后
进行网格划分并导入Fluent中进行仿真；根据硅油黏度随温度变化的影响因素，
需要对仿真时的流体材料属性进行修改，在不同工况下选择相对应的硅油黏度。

图8～图11是修正后在不同黏度下试验值与仿真值的对比图。

从数据上分析，试验值与仿真值的偏差均在5%以内，说明模型修正后的计算是正确的，并且考虑实际工况下的仿真模型可有效指导粘滞阻尼器结构设计及相关试验。

间隙式粘滞阻尼器的阻尼力主要是由活塞的位移速度、粘滞流体的黏度和阻尼器内部结构等决定的[15]，其内部结构中的2个关键参数：活塞的长度和间隙的大小分别在理论上与阻尼力大小存在正比和反比的线性关系。

本研究从仿真的角度对影响间隙式粘滞阻尼器的上述2个关键参数进行仿真研究。

对上节中某模型优化的粘滞阻尼器进行改造，通过改变活塞的长度和间隙的大小，对比和分析得到仿真结果及其对阻尼器性能的影响规律。

2.1 阻尼器间隙参数对阻尼器性能的影响规律
本次仿真在样本某型粘滞阻尼器的基础上建立了5种不同间隙Δh的阻尼器模型，间隙由小到大分别为：0.2、 0.23、 0.25、 0.27、 0.3 mm。

其他结构参数完全
相同，仿真工况和试验工况相同，如表2所示。

仿真结果如表6所示。

由表6可对阻尼力回归方程中的阻尼系数和间隙值进行回归，得到的回归方程为：式中， C为阻尼系数；Δh为间隙值，其R2值为0.9872，说明拟合度极高，可
以作为参考依据。

2.2 阻尼器活塞长度对阻尼器性能的影响规律
在样本某型粘滞阻尼器的基础上建立了5种不同活塞长度L的阻尼器模型，活塞
头长度由小到大分别为：80、 100、 120、 150、 200 mm。

其他结构参数完全相同，仿真工况和试验工况相同，仿真结果如表7所示。

由表7可对阻尼力回归方程中的阻尼系数与活塞长度进行回归，得到的回归方程为：
式中， C为阻尼系数； L为活塞长度，其R2值为0.9953，说明拟合度极高，可
以作为参考依据。

通过对仿真结果进行分析，可以获得：
(1) 由表6和得到的间隙Δh与阻尼系数C的回归公式说明，间隙式粘滞阻尼器的阻尼系数在随着间隙值增大而线性减小，其线性关系如式(2)所示；由表6中的阻
尼力回归方程可知，间隙式阻尼器的阻尼力同样随着间隙值的增大而线性减小。

(2) 由表7和得到的活塞长度L与阻尼系数C的回归公式说明，间隙式粘滞阻尼
器的阻尼系数随着活塞长度的增大线性增大，其线性关系如式(3)所示。

由表7中
的阻尼力回归方程可知，间隙式阻尼器的阻尼力同样随着活塞长度的增大而线性增大。

(3) 通过表6和表7中速度指数的值可以看出，无论间隙值变大或变小，活塞长度变长或变短，其值基本不变，说明间隙式粘滞阻尼器的间隙和活塞的长度这两个参
数对速度指数基本没有影响，速度指数主要取决于填充介质的黏度。

通过流体动力学分析软件Fluent对粘滞阻尼器进行仿真分析研究，在考虑阻尼器自重及内部温度引起黏度变化的基础上，分析了间隙式粘滞阻尼器的间隙和活塞长度2个关键参数对阻尼器性能的影响，得到如下结论：
(1) 在粘滞阻尼器仿真分析中，要充分考虑阻尼器应用中温度引起的黏度变化，对待大吨位的粘滞阻尼器要考虑自重对粘滞阻尼器性能的影响；
(2) 间隙式粘滞阻尼器，其阻尼系数与阻尼力随着间隙值增大而线性减小、活塞长度的增大而线性增大；并且间隙式粘滞阻尼器，间隙的大小和活塞的长度对速度指数基本没有影响，速度指数主要由阻尼器黏度确定。

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