一种变参数多功能粘滞阻尼器的设计方法及阻尼器与流程

本发明涉及减振技术领域，具体涉及一种变参数多功能粘滞阻尼器的设计方法及阻尼器。

背景技术：

常见的粘滞性阻尼器通常由缸体、活塞、活塞杆和阻尼介质等部件组成。阻尼介质充满于活塞前后的两个腔体内，活塞杆连带活塞可在缸体的内腔滑动，阻尼介质在活塞滑动过程中，通过活塞与缸体间的通道由一个腔体流动到另一个腔体。

阻尼系数和速度指数是反映粘滞性阻尼器力学性能的两个重要参数。小速度指数的粘滞性阻尼器在速度极低的情况下会产生较大的阻尼力，以活塞运动的速度指数为0.1为例，当粘滞性阻尼器的阻尼阀速度V＝0.005V_max时，粘滞性阻尼器对应的阻尼力F_D＝0.5887F_{D max}，其中V_max和F_{D max}分别为粘滞性阻尼器阻尼阀的最大速度和最大阻尼力，大跨度桥梁在强烈的温差作用下极易发生强烈的非线性时变温差效应，导致大跨度桥梁的结构出现严重的温致应力集中和温致变形，造成严重的结构损伤；小速度指数的粘滞性阻尼器在阻尼阀速度较高时，阻尼力增加幅度有限，不利于强震作用下提高结构的抗震性能。若选择速度指数较大的粘滞阻尼器，在速度较低的情况下，阻尼力的增长较为缓慢，桥梁在车辆制动、轻微风振作用下可能会产生较大的位移，导致粘滞阻尼器、伸缩缝等结构部件容易发生疲劳破坏。可见，传统固定参数的粘滞阻尼器的适用场景较为单一，一般在斜拉桥中同时采用多个不同规格的粘滞阻尼器解决上述问题，例如武汉天兴洲公铁两用斜拉桥桥采用了双重并用阻尼器，一方面在桥梁纵向采用12个40吨的磁流变阻尼器限制刹车引起的小振动，另一方面采用最大出力200吨的大型阻尼器控制主桥的未来地震等荷载的漂移，这必然会增加施工安装的难度及工程造价。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种变参数多功能粘滞阻尼器的设计方法及阻尼器，根据阻尼器活塞的运动速度自动调节阻尼力，能够在同一桥梁中满足多种应用场景，有利于提高桥梁结构的抗震性能。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种变参数多功能粘滞阻尼器的设计方法，根据粘滞性阻尼器的阻尼系数C_i与速度指数α_i随阻尼阀速度V的变化而变化，将粘滞阻尼器的本构关系曲线划分成若干阶段，根据本构关系曲线设计所述粘滞阻尼器中阻尼阀的弧形曲面。

在上述技术方案的基础上，具体步骤如下：

S1，根据粘滞性阻尼器的阻尼系数C_i与速度指数α_i随阻尼阀速度V的变化而变化，将粘滞性阻尼器的F_i阻尼力采用分段函数为公式Ⅰ表示如下：

根据分段函数设计粘滞性阻尼器的弧形端面包括三段曲面，分别为第一曲面、第二曲面和第三曲面，且第I阶段的分段函数对应第一曲面，第II阶段的分段函数对应第二曲面，第III阶段的分段函数对应第三曲面；

其中i＝1,2,3，F₁、C₁、α₁分别表示第I阶段的粘滞阻尼器的阻尼力、阻尼系数和速度指数，F₂、C₂、α₂分别表示第II阶段的粘滞阻尼器的阻尼力、阻尼系数和速度指数，F₃、C₃、α₃分别表示第III阶段的粘滞阻尼器的阻尼力、阻尼系数和速度指数，sign()为符号函数，V为阻尼阀速度，V_max为粘滞性阻尼器的活塞运动最大速度；

S2，已知通过阀芯的弧形端面与节流孔之间形成的环缝的流量为公式Ⅱ，其中δ为阀芯的弧形端面与节流孔之间形成的环缝的宽度，D为节流孔的直径，μ为阻尼介质粘度，l为阀芯的弧形端面的长度，ΔP为第一阻尼腔室与第二阻尼腔室的压强差；已知Q＝AV为公式Ⅲ，其中A为活塞面积，V为阻尼阀速度；由公式Ⅱ和公式Ⅲ推导出为公式Ⅳ，其中F为粘滞性阻尼器的阻尼力；

S3，对公式Ⅳ两边同时积分得到为公式Ⅴ；

S4，由公式Ⅰ和公式Ⅴ推导

为公式Ⅵ，根据公式Ⅵ计算出阀芯的弧形端面与节流孔之间形成的环缝的宽度δ；

S4，采用代入公式Ⅵ，对δ用坐标进行高次拟合，其中x^j为拟合坐标，b_j为拟合系数，n为大于等于4的正整数，得到弧形端面的三段曲面对应的拟合曲线。

在上述技术方案的基础上，确定三段曲面对应的粘滞阻尼器的参数；

第I阶段、第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段对应的粘滞阻尼器的阻尼阀速度V，分别为|V|≤0.005V_max、0.005V_max＜|V|≤0.2V_max、|V|＞0.2V_max，V_max为粘滞性阻尼器的活塞运动最大速度；

第I阶段、第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段对应的粘滞阻尼器的速度指数的取值分别为α₁≥1、0.25≥α₂≥0.1、1.0＞α₃＞0.25；

第I阶段、第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段对应的粘滞阻尼器的阻尼系数C₁、C₂和C₃的取值由桥梁结构特性和抗震设计要求决定。

在上述技术方案的基础上，所述粘滞阻尼器的第一曲面对应所述粘滞阻尼器在速度极低的情况即|V|≤0.005V_max，此时阻尼力极小，所述粘滞阻尼器在温度变化引起的缓慢运动下不会产生较大的阻尼力；

所述粘滞阻尼器的第二曲面对应所述粘滞阻尼器在速度较低的情况即0.005V_max＜|V|≤0.2V_max，此时阻尼力沿速度指数较小的曲线增加，阻尼力可以快速增加到一个较大的数值；

所述粘滞阻尼器的第三曲面对应粘滞阻尼器在速度较大的情况即|V|＞0.2V_max，此时阻尼力沿速度指数较大的曲线增加，阻尼力随速度的增加而较均匀增加。

一种变参数多功能粘滞阻尼器，，包括

阻尼器本体，所述阻尼器本体内设有内腔；

和位于所述阻尼器本体内的活塞杆；

与所述活塞杆相连的活塞，所述活塞将所述阻尼器本体的内腔分为第一阻尼腔室和第二阻尼腔室，所述第一阻尼腔室和第二阻尼腔室内填充有阻尼介质；

安装于所述活塞上的两所述阻尼阀，所述阻尼阀包括：阀盖，所述阀盖上设有节流孔，阀体，所述阀体的底部设有阀座，所述阀座底部设有通孔，所述阀座与阀盖分别位于所述阀体的两端，所述节流孔和所述通孔联通；阀芯，所述阀芯安装于所述阀体内，所述阀芯的端部设有弧形端面，所述阀芯可在所述阀体内往复，当所述弧形端面移动至所述节流孔内时，所述弧形端面与所述节流孔朝向所述阀体一端的孔壁之间形成环缝，且随所述弧形端面进入所述节流孔内的位置变化，所述环缝的宽度变化；

两所述阻尼阀，分别为第一阻尼阀和第二阻尼阀，第一阻尼阀和第二阻尼阀分别联通所述第一阻尼腔室和第二阻尼腔室，所述第一阻尼阀和所述第二阻尼阀的设置方向相反。

在上述技术方案的基础上，所述弧形端面包括依次相连的三段曲面，分别为第一曲面、第二曲面和第三曲面，且所述第一曲面靠近所述阀盖一侧，且所述第一曲面、第二曲面和第三曲面的曲率均不相等。

在上述技术方案的基础上，所述第二曲面的曲率小于所述第三曲面的曲率，所述第三曲面的曲率小于所述第一曲面的曲率。

在上述技术方案的基础上，所述阻尼阀上设有依次相连的上通道、凹槽和下通道，所述上通道位于所述阀盖和所述阀体之间，所述阀盖与所述阀座的相对面与所述阀体的外表面之间形成所述凹槽，所述阀座与阀体之间设有所述下通道，所述上通道联通所述节流孔和所述凹槽，所述下通道联通所述通孔和所述凹槽。

在上述技术方案的基础上，所述第一阻尼阀的节流孔位于所述第一阻尼腔室一侧，所述第一阻尼阀的通孔位于所述第二阻尼腔室一侧，所述第一阻尼阀的所述凹槽与所述活塞之间形成第一通道，所述第一通道联通所述第一阻尼阀的上通道和所述第一阻尼阀的下通道；

所述第二阻尼阀的节流孔位于所述第二阻尼腔室一侧，所述第二阻尼阀的通孔位于所述第一阻尼腔室一侧，所述第二阻尼阀的所述凹槽与所述活塞之间形成第二通道，所述第二通道联通所述第二阻尼阀的上通道和所述第二阻尼阀的下通道。

在上述技术方案的基础上，所述阻尼器本体包括圆筒状缸体、缸盖、第一缸套和第二缸套，所述缸盖安装于所述缸体两端围合成所述内腔，所述活塞杆贯穿连接两所述缸盖，所述活塞安装于所述活塞杆和所述缸体之间，且位于所述缸体的中部；

所述第一缸套套设于所述缸体靠近所述第一阻尼腔室的一端，且所述活塞杆靠近所述第一阻尼腔室的一端连接所述第一缸套，第二缸套与所述缸体的另一端相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的一种变参数多功能粘滞阻尼器的设计方法，根据粘滞性阻尼器的阻尼系数C_i与速度指数α_i随阻尼阀速度V的变化而变化，将粘滞阻尼器的本构关系曲线划分成3个阶段，每一阶段对应的粘滞阻尼器适用一种工作情况，避免了传统粘滞阻尼器单一速度指数变化的弊端，在单一粘滞阻尼器上实现多种功能，速度很小的情况下阻尼力也很小，避免了温致应力集中和温致变形对桥梁造成的严重损伤；速度较小的情况下，阻尼力可以较快地增加到一个较大的数值，有利于减少风振、刹车制动等外荷载引起的位移，防止粘滞阻尼器、伸缩缝装置过早发生疲劳破坏；速度较大的情况下，粘滞阻尼器阻尼力随速度增大较为均匀的增加，避免速度指数较小时在高速区阻尼力近乎停止增加的现象发生，有利于提高桥梁结构的抗震性能。

(2)本发明中粘滞阻尼器的阻尼阀的弧形端面与节流孔的孔壁之间形成环缝，且随弧形端面进入节流孔内的深度位置的变化，环缝的宽度变化，相较于单一宽度的环缝，本发明的阻尼器的功能更多，适用范围更广；在实现刹车荷载控制时，避免了安装多种粘滞阻尼器及速度锁定装置，安装及后期维护更简单，减少了仪器购买成本。

(3)本发明中的阻尼阀的弧形端面设计成三段曲率不同的曲面，阻尼阀的受力在各节段各不相同，能够适用多种不能场景。

(4)本发明中的粘滞阻尼器，随着弧形端面进入节流孔内的位置变化，环缝的宽度也随之变化，当粘滞性阻尼器的速度极低时，阻尼阀的环缝宽度最大，流过阻尼阀的阻尼介质流速稍低，此时粘滞性阻尼器的缓慢运动不会产生较大的阻尼力；当粘滞性阻尼器的速度稍微增加时，环缝的宽度变小，流过阻尼阀的阻尼介质流速较快，使得粘滞阻尼器的阻尼力可以增加到一个较大值，能够防止粘滞阻尼器过早发生疲劳损坏；当粘滞性阻尼器的速度持续增大时，环缝的宽度增大，流过阻尼阀的阻尼介质流速均匀，粘滞阻尼器的阻尼力随速度的增加而均匀，同一粘滞阻尼器能够适用的范围较广，增加了粘滞阻尼器的使用寿命，同时改善桥梁的抗震性能。

附图说明

图1为本发明实施例中本构曲线的示意图；

图2为本发明实施例中本构曲线方程构建的流程图；

图3为本发明实施例中阻尼阀的结构示意图；

图4为本发明实施例中阻尼阀的弧形端面的局部放大示意图；

图5为本发明实施例中粘滞阻尼器的结构示意图。

图中：1-阻尼阀，10-阀盖，11-节流孔，12-阀体，13-阀座，14-通孔，141-上通道，142-下通道，15-阀芯，16-弧形端面，161-第一曲面，162-第二曲面162，163-第三曲面，17-凹槽，18-弹簧，，2-阻尼器本体，3-活塞杆，4-第一阻尼腔室，5-第二阻尼腔室，6-第一阻尼阀，7-第二阻尼阀，8-第一通道，9-第二通道，20-缸体，21-缸盖，22-第一缸套，23-第二缸套，24-万向球铰。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种变参数多功能粘滞性阻尼器的设计方法，根据粘滞性阻尼器的阻尼系数C_i与速度指数α_i随阻尼阀速度V的变化而变化，将粘滞阻尼器的本构关系曲线划分成若干阶段，根据本构关系曲线设计所述粘滞阻尼器中阻尼阀的弧形曲面。具体步骤如下：

S1，根据粘滞性阻尼器的阻尼系数C_i与速度指数α_i随阻尼阀速度V的变化情况，将粘滞性阻尼器的阻尼力采用分段函数为公式Ⅰ表示如下：

根据分段函数设计粘滞性阻尼器中所述阻尼阀的三段曲面，且第I阶段的分段函数对应第一曲面，第II阶段的分段函数对应第二曲面，第III阶段的分段函数对应第三曲面；

其中i＝1,2,3，F₁、C₁、α₁分别表示第I阶段的粘滞阻尼器的阻尼力、阻尼系数和速度指数，F₂、C₂、α₂分别表示第II阶段的粘滞阻尼器的阻尼力、阻尼系数和速度指数，F₃、C₃、α₃分别表示第III阶段的粘滞阻尼器的阻尼力、阻尼系数和速度指数，sign()为符号函数，阻尼阀速度V，V_max为粘滞性阻尼器的活塞运动最大速度；

确定本构曲线三段曲面对应的粘滞阻尼器的参数：

第I阶段、第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段对应的粘滞阻尼器的阻尼阀速度V，分别为|V|≤0.005V_max、0.005V_max＜|V|≤0.2V_max、|V|＞0.2V_max，V_max为粘滞性阻尼器的活塞运动最大速度；

第I阶段、第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段对应的粘滞阻尼器的速度指数的取值分别为为α₁≥1、0.25≥α₂≥0.1、1.0＞α₃＞0.25；

第I阶段、第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段对应的粘滞阻尼器的阻尼系数C₁、C₂和C₃的取值由桥梁结构特性与抗震设计要求决定。

参见图2所示，S1中构建本构关系曲线的具体步骤如下：

S10，采用固定参数的粘滞阻尼器进行抗震设计，选定所需要的所需要的设计参数，包括固定参数的粘滞阻尼器阻尼系数C₀、速度指数α₀、最大阻尼力F_0max和最大行程；

S11，确定三段曲面对应的粘滞阻尼器的参数，C₁＝μ₁C₀，α₁≥1，其中为调整系数，推荐α₁＝2.0；C₂＝μ₂C₀其中为调整系数，α₂的取值范围为0.1≤α₂＜0.25，推荐α₂＝0.1；C₃、α₃取原设计参数，即C₃＝C₀，α₃＝α₀；

S12，根据确定的速度指数α₂、α₃分别画1条归一化后的速度-阻尼力关系曲线，然后把速度指数为α₂的曲线乘以调整系数μ₂，使得调整后的曲线与速度指数为α₃的曲线交于0.2V_max。同理，把速度指数为α₁的曲线乘以调整系数μ₁也可以得到一条速度指数为α₁的调整曲线。构造的变参数形式多功能粘滞阻尼器的本构曲线见图1中实线所示，包括3个阶段：阶段I为调整后的速度指数为α₁曲线的起始段，横坐标对应0～0.005V_max；阶段II为速度指数为α₂调整曲线的中间段，横坐标对应0.005V_max～0.2V_max；阶段III为速度指数为α₃曲线的尾段，横坐标对应0.2V_max～V_max；

S13，获得t_k时刻时粘滞阻尼器的实时速度；

S14，根据粘滞阻尼器的速度V大小，选择不同的阻尼器力学参数：

当|V|≤0.005V_max时，粘滞阻尼器的本构曲线对应阶段I，此时阻尼力为

当0.005V_max≤|V|≤0.2V_max时，粘滞阻尼器的本构曲线对应阶段Ⅱ，此时阻尼力为

当|V|＞0.2V_max时，粘滞阻尼器的本构曲线对应阶段Ⅲ，此时阻尼力为

S15，检查时间是否结束，若未结束，令t_k＝t_k+Δt，重新进入步骤S13～S15。

S2，已知通过阀芯的弧形端面与节流孔之间形成的环缝的流量为公式Ⅱ，其中δ为阀芯的弧形端面与节流孔之间形成的环缝的宽度，D为节流孔的直径，μ为阻尼介质粘度，l为阀芯的弧形端面的长度，ΔP为第一阻尼腔室与第二阻尼腔室的压强差；已知Q＝AV为公式Ⅲ，其中A为活塞面积，V为阻尼阀速度；由公式Ⅱ和公式Ⅲ推导出为公式Ⅳ，其中F为粘滞性阻尼器的阻尼力；

S3，对公式Ⅳ两边同时积分得到为公式Ⅴ；

S4，由公式Ⅰ和公式Ⅴ推导

为公式Ⅵ，根据公式Ⅵ计算出阀芯的弧形端面与节流孔之间形成的环缝的宽度δ；

S5，采用代入公式Ⅵ，对δ用坐标进行高次拟合，其中x^j为拟合坐标，b_j为拟合系数，n为大于等于4的正整数，得到弧形端面的三段曲面对应的拟合曲线。

第I阶段对应的第一曲面对应阻尼阀速度|V|≤0.005V_max、粘滞阻尼器的速度指数的取值为α₁≥1，推荐α₁＝2.0；V_max粘滞性阻尼器的活塞运动最大速度，C₁＝μ₁C₀，其中在此阶段，阻尼力增长地十分缓慢，一直处于较低的数值，使得粘滞阻尼器在温度变化引起的缓慢运动下不产生较大的阻尼力，有效地避免了温致应力集中和温致变形对桥梁造成的严重损伤。

第Ⅱ阶段对应的第二曲面对的应阻尼阀速度0.005V_max≤|V|≤0.2V_max、粘滞阻尼器的速度指数的取值为0.25≥α₂≥0.1，第二曲面对应的阻尼系数C₂＝μ₂C₀，其中在此阶段阻尼力发力较快，随速度的增加迅速增加到一个较大的数值。此阶段的阻尼力沿速度指数较小的曲线增加，而粘滞性阻尼器的第二曲面所在环缝宽度减小，使得阻尼力可以快速增加到一个较大的数值，有利于减少风振、刹车制动等外荷载引起的位移，防止粘滞阻尼器、伸缩缝装置过早发生疲劳破坏。

第Ⅲ阶段对应的第三曲面对应的阻尼阀速度|V|＞0.2V_max，粘滞阻尼器的速度指数的取值为1.0＞α₃＞0.25。在此阶段阻尼力发力速度较第二曲面有所放缓，粘滞性阻尼器的第三曲面所在的环缝相比较第二曲面所在环缝宽度增大，使得阻尼力随速度的增加可以较为均匀地增长，有利于改善桥梁的抗震性能。

参见图3、图4和图5所示，一种变参数多功能粘滞性阻尼器，包括：

阻尼器本体2，阻尼器本体2内设有内腔；

和位于阻尼器本体2内的活塞杆3；

与活塞杆3相连的活塞，活塞将阻尼器本体2的内腔分为第一阻尼腔室4和第二阻尼腔室5，第一阻尼腔室4和第二阻尼腔室5内填充有阻尼介质；

安装于活塞上的两阻尼阀1，分别为第一阻尼阀6和第二阻尼阀7，该阻尼阀1包括：

阀盖10，阀盖10呈圆盘状，沿圆盘的轴线设，有节流孔11；

阀体12，阀体12呈圆筒状，且阀体12的底部设有阀座13，阀座13呈圆盘状，沿圆盘的轴线设有通孔14，阀座13与阀盖10分别位于阀体12的两端，阀盖10的直径大于阀体12的直径形成一圈台阶，阀座13的直径大于阀体12的直径沿阀体12的边缘形成一圈台阶，阀盖10的台阶与阀座13的台阶与阀体12的外表面之间形成凹槽17；阀盖10与阀体12之间设有径向的上通道141，上通道141联通节流孔11和阀体12外部的凹槽17；阀座13与阀体12之间设有径向的下通道142，下通道142联通通孔14和凹槽17。

阀芯15，阀芯15安装于阀体12内，阀芯15与阀座13之间设有弹簧18，阀芯15的端部设有弧形端面16，阀芯15可在阀体12内往复移动，当弧形端面16移动至节流孔11内时，弧形端面16与节流孔11朝向阀体12一端的孔壁之间形成环缝，且随弧形端面16的端部进入节流孔内的深度变化，环缝的宽度变化。

弧形端面16包括依次相连的三段曲面，分别为第一曲面161、第二曲面162和第三曲面163，且第一曲面161靠近阀盖10一侧。本实施例中第二曲面162的曲率小于第三曲面163的曲率，第三曲面163的曲率小于第一曲面161的曲率。

第一阻尼阀6的节流孔11位于第一阻尼腔室4一侧，第一阻尼阀6的通孔14位于第二阻尼腔室5一侧，第一阻尼阀6的凹槽17与活塞之间形成第一通道8，第一通道8联通第一阻尼阀6的上通道和第一阻尼阀6的下通道；

当活塞向第一阻尼腔室4一侧移动时，第一阻尼腔室4内的阻尼介质经第一阻尼阀6的节流孔11、上通道141、第一通道8、下通道142和通孔14进入第二阻尼腔室5；

第二阻尼阀7的节流孔11位于第二阻尼腔室5一侧，第二阻尼阀7的通孔14位于第一阻尼腔室4一侧，第二阻尼阀7的凹槽17与活塞之间形成第二通道9，第二通道9联通第二阻尼阀7的上通道141和第二阻尼阀7的下通道142。

第二阻尼腔室5内的阻尼介质经第二阻尼阀7的节流孔11、上通道141、第二通道9、下通道142和通孔14进入第一阻尼腔室4，其中，第一通道8和第二通道9呈圆筒状，且第一通道8和第二通道9的轴线与活塞杆3的轴线平行，分别位于活塞杆3的两侧。

其中，阻尼器本体2包括圆筒状缸体20、缸盖21、第一缸套22和第二缸套23，缸盖21安装于缸体20两端围合成内腔，活塞杆3贯穿连接两缸盖21，活塞安装于活塞杆3和缸体20之间，且位于缸体20的中部；第一缸套22套设于缸体20靠近第一阻尼腔室4的一端，且活塞杆3靠近第一阻尼腔室4的一端连接第一缸套22，第二缸套23与缸体20的另一端相连，第一缸套22和第二缸套23上均设有万向球铰24。

本实施例中的粘滞性阻尼器的阻尼阀的弧形端面16包括依次相连的三段曲面，分别为第一曲面161、第二曲面162和第三曲面163，且第一曲面161靠近阀盖10一侧，第二曲面162的曲率小于所述第三曲面163的曲率，第三曲面163的曲率小于第一曲面161的曲率。根据粘滞性阻尼器的固定参数的速度指数和阻尼构建出速度-阻尼曲线即，再将本构曲线划分成三阶段，分别阶段I、阶段II和阶段III。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。