新型压电摩擦阻尼器动态力学性能的理论分析

载梁 的影 响 ， 限元 建 模 计 算 不能 得 到 合 理 的答 案 有
Ｌ ． ．ｊ
的 ， 而影 响有 限元 模 型 计 算结 果 的可 靠 性 和真 实 从
性 。同时文 献 ［ ］ ７ 的类 似 的试 验 也 证 明 了本 文 提 出 的有 限元模 型应该 考 虑加 载梁 的影 响以及所 编写 的 ＡＤ Ｐ Ｌ程序 的正 确性 和实用 性 。
器 的动态力学性能进行 了理论分析 ， 并推导 出该阻尼器在简 谐荷载作 用下 的力学性能 公式 和耗 能计算
公式 。
关 键 词 ：摩擦 阻尼 器 ； 电陶 瓷 驱 动 器 ； 电摩 擦 阻 尼 器 ； 态 力 学 性 能 ；耗 能 公式 压 压 动 中图 分 类 号 ： Ｕ ５ ． Ｔ ３２ １ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１７— １４ （０ １０— ０ ３— ０ ６２ １４ ２ １）３ ０４ ２
备 了响 应速度快 ， 可靠 性 高等优 点 。 故若 将二 者结合 ， 利用 压 电陶瓷 逆效应 ， 可 以 就 实时的调节 摩擦 力 ， 普 通 摩擦 阻尼 器 具有 智 能特 使 性， 从而 达到半 主动 控制 结构 的要求 。
在 本 文 中 ， 者将 设 计 一种 新 型压 电摩 擦 阻尼 作 器 并对其 进行 动态力 学性 能 的理论分 析 。
滞” 现象 。 （ ）该新 型 压 电摩 擦 阻尼 器 的力 与 位 移关 系 ： ３
／
图 ２ 新 型 阻 尼 器 阻 尼 力 与 位 移 模 型
（Ｆｔ Ｎ ／ （ ） ａ －ｏ￣ ＋ （ ＂） ： ） ］
（ 转第 ５ 下 ３页 ）
该新 型 阻尼器循 环 一周 ？ 耗 能量 ： 肖
将 （ ） 代人 （ ） ： ２式 １得
ｒ ０ （ ＝０ ）
‘ ｉ｛＋ （（ ． 。 （。 Ⅳ ・ Ｋ ） ．０ ， ） ．） ＞ ［】 ，
（） ４
１
…
…
２ ２
．
（ ／ ＨＪ Ｍ ） ｎ为奇数 ／．
＼
Ｅ ＝４・Ⅳ ０・Ｕ
特殊 的 当 ｎ ＝ １ 时
种耗 能减 震 装 置 。 但 由于 仅 为 一 种 被 动耗 能装
置 ， 不能根 据结 构 的反 应 而实 时 的 改变 阻尼 力 的 故 大小 ， 因而限制 了其应 用 范 围。 利 用压 电材料 的逆压 电效应 ＿ 所 制备 的驱动 元 １ ｊ 件一 压 电陶瓷驱 动器 ， 仅 造 价低 ， 构 简 单 ， 具 不 结 更
和耗 能计算 公 式 。 到 的主要 结论 如下 ： 得 制 明晰 、 能能 力大 。 耗
（ ） 新 型 压 电 摩擦 阻尼 器 构 造 简 单 、 能机 １该 耗
／ ＼ 厂 、
＼ （】 ／ ｆ 【）／／／ ） ｝ 【 ｎ １ ａ
—
，
（）利 用压 电 陶瓷 电致 形 变 的瞬 时 响 应 特 性 ， ２ 有 效地 削弱 了传 统 主动 ， 主 动 控 制 阻 尼 器 的 “ 半 时
ＷＡ Ｇ Ｓ ｅｌ ｎ ，Ｆ Ｎ Ｙ —ａｇ ＬＵ Ｍｉ — ｉ Ｎ ｈ— ａｇ Ａ ｕｊ ｎ ， Ｉ ａ ｍ ａ ｉ ｉ ｏ ｏ
（ ｏｅｅｆＣ ｉＥ ｇ ｅｒｇ，Ｘ ’ｎＵ ｉｒｔ ｏ ｒ ｉｃ ｒ ａｄＴｃｎｌ ｙ ｉａ Ｃｌｇ ｉｌ ｎｉ ｅｎ ｌ ｏ ｖ ｎ ｉ ｉａ ｎ ｅ ｉ ｃ ｔｔ ｅ ｎ ｅ ｏ ｇ ，Ｘ ’ｎ，Ｓａ ｎｉ １０ ５ ｈ ａ ｖ ｓｙ ｆＡ ｈ ｅｕ ｈ ｏ ｈａｘ ０ ５ ，Ｃ ｉ ） ７ ｎ
上上
图 ３ 试 件 尺 寸 （ 位 ： ／） 单 ｉｉ ｎ１
图 １ 新型压 电摩擦 阻尼器设计构造图
１ 新 型压 电摩擦阻尼器的工作原理 和 设计构造
该 新 型压 电摩 擦 阻 尼器 由摩擦 片 １ 摩 擦 片 ２ ， ，
其 中摩 擦 片 １摩 擦 片 ２为 两 个 相 互 摩 擦 的两 ， 块钢 板 ， 者之 间涂 有 高 摩 擦 阻 尼涂 层 以增强 摩 擦 二 系数 。高 强螺栓 则 提 供 该 阻尼 器 所 需 的 预 紧 固力 。
Ｕ ｄｗ） （ｔ
４ ・Ｎｏ ・ Ｅ ＋ ‘Ｍ ‘
（） １
＝
Ⅳ ＝ｏ ．，。 吕口２ ｃ ｛＋ Ｅ． Ｋ 。 ；］， Ｎ ｃ
Ｅ（ ）＝ ・Ｕ ・ （ ） ｔ 【 ｔ】
＝
Ｕ为预 紧 固力 ； 为 振 动 持 时 ； ｔ Ｋ为 压 电摩 擦 阻尼器 的形 状 系 数 ； ３ Ｄ ３为压 电 陶瓷 的 轴 向压 电 应 变常数 ； ｔ Ｅ（ ）为 压 电驱 动 器 的 主动 调 节 的 电场 强
Ｅ ＝ ４ ・Ⅳ０ ・ ｆ ／ ＋４・
（ ｎ为偶 数 ）
・Ｍ ・ Ｕ ・１
・
当 ｔ＞０时 ：
Ｆ （ ）： ・｛ ０＋ ・ ［ （ ） ・Ｋ ・ ３ ａｔ Ⅳ ｔ］ Ｄ３） 令 ： ＝ Ｋ ・ ３・ ・Ｕ ・Ｕ Ｍ Ｄ３
入 上式得 ：
９
・ ” Ｗ 将其 与 （ ） ３ 代
Ｅ： ． ０ ４ Ⅳ．
＋ｆ Ｆｄ ：４ Ｎ ． 十 ｄ戈 ．０ 一
２ 新型压电摩擦阻 尼器的动态 力学性 能
摩擦 力计 算公式 ： Ｆ ×Ｎ（） Ｊ ｄ＝ ｔ［
其 中
Ｊ 。 ．ｓ ‰ Ⅷｓ （） Ｍｃ ｗ‘ ０ ） “ （ ｄ
＝
４ Ｎ ． ｍ ． ｃ（ （ ． ．ｏ Ｕ ＋Ｉ Ｍ．。ｎ ） ｓ ＋
Ｔｈ ｏ ｅ ｉａ ａ ｙ ｉ ｎ Ｄｙ ｍ ｉ ｅ ｈ ｎ ｃ ｉＰｒ ｐ ｒ ｉｓ ｏ ｅ ｒ ｔｃ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｏ ｎａ ｃ Ｍ ｃ ａ ｉａ ｏ ｅ ｔｅ ｆ ａ Ｎｅ Ｔｙ ｅ ｏ ｅ ｏ ｌ ｃ ｒｃ Ｆｒｃ ｉ ｎ ｍ ｐ ｒ ｗ ｐ ｆＰｉｚ ｅｅ ｔ ｉ ｉ ｔｏ Ｄａ ｅ
新型 压 电摩 擦 阻尼器 动 态 力 学性 能 的理 论分 析
王 社 良， 禹江 ， 苗苗 樊 刘
（ 西安建筑科技 大学 土木工程学 院 ， 陕西 西安 ７ ０５ ） １０５
摘 要 ： 出 了一 种 新 型 压 电摩 擦 阻 尼 器 。 首 先 对 其 工 作 原 理 和 设 计 构 造 进 行 了 介 绍 ， 次 对 该 阻 尼 提 其
＝
４・（ （ ｏ＋— ‘ ’ ） ， Ⅳ 丌‘
（ ）＝ ・｛ ＋Ｍ ・ Ｏ ｗ ） ｔ ＣＳ（ ｔ ｝
由（ ） （ ） ３ 、５ 可得 ：
（） ５
３ 结 论
本 文提 出 了一 种 新 型压 电摩擦 阻尼 器 ， 立并 建
（ √
丽
“Ｍ
） ， 推 导 出该 阻尼 器在 简谐 荷载作 用 下的力 学性 能公式 ：
第 ３期
王社 良， ： 型压电摩擦 阻尼器动态力学性能的理论分析 等 新
当结 构振 动 时 ， 用 压 电 陶瓷 驱 动 器 的逆 压 电效 应 利 来改 变摩擦 阻尼 器 的螺 栓 紧 固力 ， 而 调 整 摩 擦 片 进 之 问的正 压力 ， 而 达到半 主 动控制 摩擦 力 的 目的。 从
第９ 卷第 ６月 期 ２０１１年３
Ｊｕｎｌ ｆ ｔ ｅ０ｒ ｓ ｌ Ａ ｃｉ 报 ｎ ＂ ｅ ｏｒａ ｏ Ｗａ水Ｒ ｓｌ ｅ筑工 程学 ｃ ｒｌ ｄ ｅｒ ｅ 利与建 ｄ ｒｌｅｔ ａ Ｅ ｎ ｉ ｒ Ｉｃ ｌｔ ｕ
Ｊｎ．， ０１ ｕ ２ １
Ｖ １ ｏ３ ｏ． Ｎ ． ９
而４ｃ＋ ｄ ４ 十・ ｌ ｆｏ＇ ・ １Ｌ 厶 ｆｓ） ： — ＜㈠ ｆ …・・ ＂ Ｌ ｆ
＾ ＼ （ 一数 ） ｎ为奇 ＾， 故 ： ＝ ４・ ｏ’Ｕ ＋４‘ 。Ｍ ・Ｕ Ｅ Ｎ
ｎ 一
式 中 ： （ ） 阻尼 器 的相对 位移 （ ） Ｕ 为 阻尼 ｔ为 ｔ； 器 的最 大相对 位移 。
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａ ｅ ｔｐ ｆｐｉｚ ｅｅ ｔｉ ｒｃｉｎ ｄ ｍｐ ｒｉ ｒ ｓｎｔｄ ｈ ｒ ｎ ｗ ｙ ｅ ｏ ｅ ｏ ｌｃｒｃ ｆ ｔ ａ ｅ ｓｐ ｅ ｅ ｅ ｅｅ．Ｆ ｒｔ ｉ ｏ ｉｓｌ ｙ，ｉ ｒ ｉｇ ｐ ｎ ｉ ｌ ｎ ｅ ｉｎ ｎ ｆ ｔ ｗｏ ｋｎ ｒ ｃｐｅ ａ ｄ ｄ ｓｇ ｉｇ ｏ ｓ ｉ ｓｒｃｕ ｅ ｒ ｎ ｒｄ ｃ ｄ．Ａｎ ｅ ｏ ｄｙ，ｔ ｅｄ ｐ ｒ Ｓｄ ｎ ｍｉ ｃ ａ ｉａ ｒ ｐ ｒｉｓａｅ ａ ａｙ ｅ ｔ ｔｒ ｓａ ｅ ｉｔ ｕ ｅ ｕ ｏ ｄ ｓ ｃ ｎ ｌ ｈ ａ ｅ ’ ｙ ａ ｃ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｐ ｏ ｅ ｔ ｒ ｎ ｌｚ ｄ，ａ ｄ ｔｅ ｆｒ ｌｓ ｏ ｍ ｅ ｎ ｈ ｏｍｕ ａ ｆ ｉｓｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｐ ｏ ｅｔｅ ｎ ｎ ｒｙ ｃ ｎ ｕ ｔ ｎ ｃ ｌ ｕａｉｎ ａｅ ｄ ｄ ｃ ｄ ｕ ｄ ｒｓｎ ｓ ｉａ ｏ ｄ ｎ ｔ ｃ ａ ｉａ ｒ ｐ ｒｉｓａ ｄ ｅ ｅｇ ｏ ｓ ｍｐ ｉ ａｃ ｌｔｏ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｅ ｉｕ ｏｄ ｌａ ｉｇ． ｏ ｌ Ｋｅ ｗｏ ｄｓ ｒｃ ｉｎ ｄａ ｙ ｒ ：ｆ ｉｔ ｍｐｅ ｏ ｒ；ｐ ｅ ｏ ｌｃ ｒｃ ｃ ｒ ｍｉ ｃ ｕ ｔ ｒ；ｐｉｚ ｌｃ ｒｃ ｆ ｃ ｏ ｄ ｍｐ ｒ ｙ ｍｉ ｃ ｈ ｎ ｃ ｌ ｉｚ ｅｅ ｔｉ ｅ ａ ｃ ａ ｔ ａ ｏ ｅ ｏ ｅ ｔ ｒ ｔ ｎ ａ ｅ ；ｄ ｎａ ｃ ｍｅ ａ ｉａ ｅ ｉ ｉ ｉ
ｐｒ ｐｅ ｔ ｓ；ｅ ｅ ｇ ｏ ｓ ｍ ｐ ｉ ｎ ｆ ｒ ｕ ａ ｏ ｒｉ ｅ ｎ ｒ ｙ ｃｎ ｕ ｔｏ ｏ ｍ ｌ
普通摩 擦 阻尼器 因其 安装维 护方便 ， 价低廉 ， 造 且滞 回性能稳 定 ， 因而 成 为工 程 结 构 中较 为常 用 的
一
高强 螺栓 ， 高摩擦 阻尼 涂层 ， 电 陶瓷 驱动 器及 ４个 压 普通 螺栓组 成见 图 １ 。
收 稿 日期 ：０００．８ ２ １— ２ ４ 修稿 日期 ：０１０－６ ２ １． ０ ５ 基金项目： 国家 自然科学基金重大研究计划面上项 目（０ １ｏ３ ； ９ ７５０ ） 国家 自然科学基金 资助项 目（０７ １８ ； １９ ２６ ） 教育部科学技 术研究重点 项 目 （０ １４ ； ２９２ ） 教育部高等学校博士学科点专项科研基金 （０ ８７ ３０２ ； ２０００００ ） 陕西省工业攻关项 目（０ ８ ０ —３ ） ２０Ｋ ７ １ 作者简介 ： 王社 良（９７ ）男（ １５一 ， 汉族 ） 陕西西安人 ， ， 教授 ， 导， 博 主要从事工程结构抗震及新型智能材料研究 。
００
一
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第 ３ 期
杨 智硕 ， ： 等 试验 边界条件 的 Ａ Ｄ Ｐ Ｌ二次开发
５ ３
图 ４为有 限元模 型 、 ５ 竖 向挠度 图 、 ６为 图 为 图 主拉 应力 云 图 。其 中 （ ） 考 虑加 载 梁 影 响 ， ｂ 是 ａ是 （） 没有考 虑 加 载梁 的 影 响。从 上 述 几 个 图 中可 以 得 到： 加载梁 对试 验 的结果 影 响很 大 ， 如果 没有 考虑加
４Ⅳ‘ ＋ Ｍ・ ｊ 。“ ｚ。 。０ 。 ｃ ’） ｓ ｄ
ｒ ０ （Ｌ ｒ为偶数 ）
其中：
度 ； 为压 电驱 动器 输 入 电压 与 电 场 强 度 的转 换 系
数； Ｕ为外加 电压 。
（ ）＝ Ｕ ・ ｉ（ ｔ ｔ ｓ Ｗ） ｎ （） ３
－ｓ ｛。 。 ，数 ｆ（ ｄ ４ ０ｎ 『ｃ ｄ 为 ２＋ 奇 】 薹＋ ｃ 。ｃ