黏彈性阻尼器的案例
粘彈性阻尼器數值仿真 ￥800
<p>黏彈性阻尼器通常用來減少建筑物和其它高層結構的振動，起到“隔震”的作用。本案例計算分析的黏彈性阻尼器采用廣義麥克斯韋模型進行描述定義，模擬了阻尼器在受到到頻率范圍為 0-5 Hz的周期作用力載荷下的諧波響應仿真結果，如圖1所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202301/c40967f3fb374d6eaaff85debfbf9c71.gif" alt="Untitled1.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖1 阻尼器的諧波響應</strong></p><p>采用快速傅里葉變換（FFT）進行時域的求解，仿真得到結果如圖2所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202301/a7aae40f293a44c88ff57b82949f27b9.gif" alt="Untitled2.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖2 阻尼器受迫振動時域解</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202301/0140c1dcca60419194811b4ace3defac.png" alt="Untitled3.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖3 安裝孔的滯回曲線</strong></p><p>感興趣的朋友，可下載模型源文件，歡迎交流</p>
展開 【02】黏滯阻尼器能否采用對角支撐的安裝形式？
黏滯阻尼器能否采用對角支撐的安裝形式？
黏滯阻尼器是由缸體、活塞、黏滯材料（常采用二甲基硅油）等部分組成，利用黏滯材料運動時產生黏滯阻尼耗散能量的減震裝置。
01黏滯阻尼器的連接形式有哪些？
黏滯阻尼器的基本連接形式主要分為兩種：
兩端鉸接：消能部件與銷栓或球鉸等連接件之間的間隙應符合設計文件要求，當設計文件無要求時，間隙不應大于0.3mm；
一端鉸接、一端法蘭連接：阻尼器一段通過通過銷軸與結構梁柱節點連接，另一端通過法蘭盤與阻尼器支撐桿連接。
02黏滯阻尼器能否采用對角連接的支撐形式？
對于無剛性的液體黏滯阻尼器，采用對角支撐時，連接形式應為一端鉸接、一端法蘭連接，兩端鉸接會形成三鉸一線的失穩狀態。
03對角支撐的黏滯阻尼器構造上有何特殊之處？
黏滯阻尼器形式分為兩種：圖（a）：一端具有萬向鉸軸承，一端設置法蘭盤，主要用于對角支撐的布置形式上；圖（b）：兩端具有萬向鉸軸承。
（a）
（b）
參考文獻
陳永祁，馬良喆等. 建筑結構液體黏滯阻尼器的設計與應用. 中國鐵道出版社
往期內容
【01 黏滯阻尼器減震設計篇】建筑消能減震技術規程 JGJ 297-2013應該注意的那些點
【劃重點與簡析】建筑隔震設計標準（GB/T 51408-2021）
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展開 組合式黏滯阻尼器ANSYS-CFD分析
黏滯阻尼器是一種以黏滯材料（主要為二甲基硅油）為阻尼介質的，被動速度型消能減震（振）裝置，主要用于結構震（振）動領域（包括風振、地震等）。黏滯阻尼器主要分為孔隙式、間隙式和組合式三種。視頻采用ANSYS-CFD模塊對組合式黏滯阻尼器進行分析。
下面介紹采用該模塊進行分析的主要流程：
1.Geometry
采用ANSYS-SC模塊，對流體區域進行建模，包含活塞內小孔、活塞與缸體內表面間隙，兩個油缸，考慮到計算時間，建立對稱結構如下圖所示。
2. Mesh
采用ANSYS-Meshing模塊，指定流體屬性，更改網格尺寸，對間隙和孔隙的流體區域進行網格細分。
3. Setup、Solution
采用ANSYS-CFD Enterprise模塊定義阻尼液為非牛頓流體，更改粘性模型，定義動網格區域，采用UDF施加速度加載工況，定義動畫窗口和結果輸出，提交分析。
4. Results
采用ANSYS-CFD Post模塊查看黏滯阻尼器內部流場結果，繪制阻尼器F-V滯回曲線。
5. ANALYSIS
對黏滯阻尼器滯回曲線采用MATLAB進行擬合，根據F=CV^a，擬合出阻尼器的阻尼系數C和阻尼指數a值。
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本插件嚴格按照Maxwell理論計算公式進行編制，詳情可先看以下推文：
【JY】結構概念之(消能減震黏滯阻尼器)
【JY】消能減震黏滯阻尼器的力學原理與應用
在ABAQUS中：
在Abaqus中，采用非線性鏈接對黏滯阻尼器進行模擬，其中阻尼里輸入的是速度和力，可以通過《阻尼器噸位設計分析V3.0》插件自動生成速度、力的數據，對黏滯阻尼器進行模擬。
插件和模型案例下載地址文末有！
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【JY】消能減震黏滯阻尼器的力學原理與應用 ￥29.9
一、寫在文前
消能阻尼器的基本力學原理主要體現在恢復力模型上，恢復力模型的建立對整體結構模型的動力分析起了便捷作用，便于指導工程實際應用。對于消能阻尼器通常選擇以下本構進行模擬：
軟鋼消能器和屈曲約束支撐可采用
雙線性模型或Wen模型
；
摩擦消能器、鉛消能器可采用
理想彈塑性模型
；
黏滯消能器可采用
Maxwell模型
；
黏彈性消能器可采用Kelvin模型。
對于黏滯阻尼器的概念可看下：
【JY】結構概念之(消能減震黏滯阻尼器)
主要給大家講解減震設計中的黏滯阻尼器相關的內容。
經過眾多學者多年的研究和改進，都提出過黏滯阻尼器的恢復力模型，歸納起來，一般有線性模型、Kelvin模型、Maxwell模型、Wiechert模型四種類型。
二、黏滯阻尼器的計算理論簡述
在黏滯阻尼器中，液體在密封油腔小孔內的高速流動，可采用流體動力學Navier-Stokes方程進行描述。對于理想的直阻尼孔，可考慮兩種極端情況：
一種是慣性流，適用于液體黏度較低、間隙相對較大、液體在小孔流徑較短或高流速的情況。在此情況下可將Navier方程進行簡化，并考慮較低頻率情況，此時阻尼力是由液體加速流過小孔通道產生的唯一的慣性力，在速度很高時阻尼力出力會急劇增大，因此慣性流不能用于實際工程。
另一種可歸為黏性流，適用于液體黏度較高、相對間隙較小、液體在小孔流徑較長或低流速的情況。此時阻尼器響應符合下面等式：
式中μ——液體黏度；Lp、Rp、h——表示活塞頭的長度、半徑以及間隙的寬度等幾何特性。阻尼器的消能完全通過液體經過通道產生的黏性作用來實現。
展開 【JY】結構概念之(消能減震黏滯阻尼器)
一、消能減震的理念
為了更有效地提高結構的抗震性能，在設計中采用“
柔性耗能”理念來減小結構振動響應
，通過調整結構的質量、剛度和阻尼特性來實現預期抗震水平。
傳統設計
以結構構件的塑性損傷為代價，秉持“硬抗”理念，采用優化關鍵構件的特征幾何尺度、放大構件材料強度等措施以提高結構的抗震承載能力。眾所周知，地震的發生和作用具有極強的隨機性和破壞性，
因此，傳統設計不僅難于保障建筑結構及生命財產安全，還可能大幅度增加建設成本。
結構消能減震又稱耗能減震，
其機理是在特定構件的界面連接處安裝耗能器，通過耗能器將地震動輸入的機械能轉化成能夠均勻耗散的熱能從而使得結構振動響應降低，或者通過新結構中的原結構和附設裝置分別作為主結構和子結構聯合承擔振動作用，從而獲得調諧，并將振動反應控制在預期值以內。
在采用消能減震方法的情況下，在較低級別地震或風振作用下結構可以獲得足夠的初始剛度而保持彈性狀態；而在較高級別地震或風振作用下，當結構的側向變形尚未開始變大時，耗能裝置就能先于結構進入非彈性狀態，從而避免結構的承重構件進入到非彈性狀態。
本期給大家主要帶來的是減震設計中的黏滯阻尼器相關的內容。
二、黏滯阻尼器的初識
黏滯阻尼器是速度相關型阻尼器，目前在土木工程領域內被普遍采用的
流體阻尼器內部構造基本屬于射流型
，下圖為單出桿型阻尼器，其工作方式是通過活塞的往復運動，液體流過活塞頭上的小孔從而提供阻尼力。
除了上述
單出桿式黏滯阻尼器
，還有
黏滯阻尼墻
和
三向缸筒式黏滯阻尼器
。
展開 【05】黏滯阻尼器不同安裝方式在ETABS中的模擬方法（含肘節型）
黏滯阻尼器不同安裝方式在ETABS中的模擬方法
黏滯阻尼器是由缸體、活塞、黏滯材料（常采用二甲基硅油）等部分組成，利用黏滯材料運動時產生黏滯阻尼耗散能量的減震裝置。
01普通黏滯阻尼器在ETABS中的模擬方法？
黏滯阻尼器的模擬方法
黏滯阻尼器常采用Damper-Exponential單元進行模擬，模擬參數如下圖所示：
備注：在輸入參數時，需注意單位的匹配，如果使用ETABSV17版本的軟件，在輸入時應先輸入阻尼指數，再輸入阻尼系數。
02黏滯阻尼器斜撐安裝和肘節型安裝在ETABS的應用？
建模方法
建立一榀框架，層高和跨度均為4m，對框架施加水平正弦節點位移，位移取5mm。
斜撐式黏滯阻尼器安裝方式在ETABS中的建模：
肘節式黏滯阻尼器安裝方式在ETABS中的建模：
運動模式
斜撐式黏滯阻尼器在ETABS中的運動模式（參微信公眾號“防震技術）
肘節式黏滯阻尼器在ETABS中的運動模式（參微信公眾號“防震技術）
滯回曲線
斜撐式 黏滯阻尼器在ETABS中的滯回曲線：
針對斜撐式安裝方式，施加節點水平位移5mm， 阻尼器最大位移約為3.49mm 。
肘節式黏滯阻尼器在ETABS中的滯回曲線：
針對肘節式安裝方式，施加節點水平位移5mm， 阻尼器最大位移約為5.07mm 。
可見，合理的設計肘節式系統，對增加阻尼器的耗能能力有較大的改善。
展開 【03】黏滯阻尼器不同安裝方式的適用性及位移放大系數推導（第1篇）
黏滯阻尼器水平安裝還是斜向安裝耗能效果更佳？
黏滯阻尼器是由缸體、活塞、黏滯材料（常采用二甲基硅油）等部分組成，利用黏滯材料運動時產生黏滯阻尼耗散能量的減震裝置。
01黏滯阻尼器的安裝方式有哪些？
黏滯阻尼器的基本安裝形式主要分為斜向形、人字形、剪刀型和肘節型，如下圖所示。其中：第一種為對角支撐；第二種耗能效果同墻式黏滯阻尼器；第三種為剪刀型支撐、第四種為肘節型支撐，均具有將阻尼器耗能效果放大的作用，但因安裝機構造型和施工工藝復雜的限制，應用較少。
02黏滯阻尼器的不同安裝方式的適用性及耗能效果有何差別？
斜向型安裝：黏滯阻尼應采用一端鉸接、一端法蘭板剛性連接，原因參見【02】黏滯阻尼器能否采用對角支撐的安裝形式。阻尼器兩端的相對位移小于結構的層間位移。
優點：構造簡單、易于裝配。
缺點：所占空間大，不利于人員通行和門窗布置，節點負擔較重。
人字形安裝（墻式安裝）：阻尼器兩端的相對位移等于結構的層間位移。
優點：可充分利用其消能能力，墻式安裝構件簡單，人字形方便跨 中門洞。
缺點：人字形支撐設計時要充分考慮側向穩定。
剪刀型安裝：阻尼器兩端的相對位移大于結構的層間位移。
優點：能較好解決建筑布置與阻尼器布置之間的矛盾，獲得大空間 和 視野；
缺點：附加給結構的側向剛度有限、必須將放大的支撐力傳至框架 梁，容 易使 框架梁發生樓面外的變形，影響 位移 放大 功能 的發 揮，安 裝 機構造型 和工藝復雜。
肘節型安裝（墻式安裝）：阻尼器兩端的相對位移大于結構的層間位移。
優點：上部耗能支撐可置于門、窗洞口的上方，能提供一定的下部 使用空 間，上部耗能支撐比 下部耗能支撐形式更有效。
展開 【04】黏滯阻尼器不同安裝方式的適用性及位移放大系數推導（第2篇）- 肘節型
采用肘節型的黏滯阻尼器位移放大系數和耗能效果探討
黏滯阻尼器是由缸體、活塞、黏滯材料（常采用二甲基硅油）等部分組成，利用黏滯材料運動時產生黏滯阻尼耗散能量的減震裝置。
01不同肘節型安裝方式的黏滯阻尼器位移放大系數？
肘節型安裝
當黏滯阻尼器與肘節鋼構呈90度時，分上肘節系統（Upper Toggle System）、 下肘節系統（Lower Toggle System ）和反向肘節系統（Reverse Toggle System）。為便于后續表達，命名為U-1、L-1、R-1。
其三種系統 簡化后的 位移放大系數 如下所示：
但值得注意的是，對于在層間安裝肘節型黏滯阻尼器，該三種方式會增大梁的受力，是不利的，梁的變形會降低黏滯阻尼器的耗能效果。為此，將黏滯阻尼器置于梁柱節點進行安裝。
上肘節系統（ Upper Toggle System） 幾何關系如下圖所示。 為便于后續表達， 命名為 U -2 。
位移放大系數：
下肘節系統（ Lower Toggle System ） 幾何關系 如下圖所示。 為便于后續表達， 命名為 L -2 。
位移放大系數：
02基于Matlab的位移放大系數直觀表示？
如需要完整MATLAB程序，歡迎關注公眾號《防震技術》，后臺留言發送0219獲取。
U-1
位移放大系數理論公式：
位移放大系數與角度的關系如下圖所示。可見，當θ1和θ2之和接近90°時，位移放大系數趨于無窮大，即圖形中存在的豎向直線所示。此時并非指黏滯阻尼器實際耗能效果最佳，只是其受變形的影響，其耗能效果變化明顯，實際工程常采用位移放大系數為2~5的角度配置。
展開 【01 黏滯阻尼器減震設計篇】建筑消能減震技術規程 JGJ 297-2013應該注意的那些點
在消能器極限速度對應的阻尼力作用下，與消能器連接的支撐、墻、支墩、預埋件、節點板均應處于彈性狀態，【3.4.3、7.1.6】即需要根據罕遇地震下結構彈塑性分析下黏滯阻尼器的最大阻尼力的1.2倍來進行驗算；
鋼筋混凝土構件作為黏滯阻尼器的支撐構件時，如墻式黏滯阻尼器，混凝土強度不應低于C30【3.5.2】；
黏滯阻尼器與主體結構的連接一般分為支撐型和墻型等，當采用支撐型連接時，不宜采用“K”字型布置，支撐宜采用雙軸對稱截面；
速度線性相關型消能器與斜撐、墻體（支墩）或梁等支承構件組成消能部件時，支承構件沿消能器消能方向的剛度應符合下式規定：
針對非線性黏滯阻尼器，可采用黏滯阻尼器等效線性化進行驗算。
Q8消能減震結構減震分析應注意哪些關鍵問題？
展開 Ansys 案例研究 | 粘彈性阻尼器的諧響應減振分析
圖 3 通過實驗測得的復剪切模量定義 Prony 級數的命令流
圖4 粘彈性阻尼器頂面的 X 向位移頻響曲線
總結：
本仿真演示了如何在諧響應分析中使用粘彈性材料，以及粘彈性阻尼器如何降低高頻下的變形幅值。
如需案例實操視頻歡迎私信或留言！
