扭转型铅挤压阻尼器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种扭转型铅挤压阻尼器，包括内部充填有铅的封闭腔体及中心转轴，所述中心转轴穿过封闭腔体，在中心转轴上设置的凸缘。针对传统铅阻尼器利用相对平动位移耗能机制的特点，本实用新型专利技术提出一种全新的利用相对转角位移耗能机制的扭转型铅挤压阻尼器；该阻尼器具有构造简单、加工方便、性能稳定并具备良好的可扩展性。可直接利用相对转角位移使得中心转轴旋转挤压铅耗能；亦可采用转动齿轮与平动齿条将相对平动位移转换为中心转轴的旋转挤压铅耗能。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术为一种扭转铅挤压阻尼器，可有效将平动位移转换为转角位移，由此挤压耗能材料，进而消耗结构系统能量，对结构起到消能减震(振)的作用。
技术介绍
消能减震(振)技术是一种有效的结构控制技术，它通过在结构的适当位置安装耗能减震(振)装置，以此减小结构在地震、大风或其它动力荷载作用下的动力响应。金属型阻尼器的一般荷载-位移曲线如附图说明图1所示，消耗能量如式(1)所示，荷载-位移曲线下包络面积(Ex)即为消耗能量，其量纲为“力X位移”。同样，当发生转角位移时宜可以耗能， 其转角-弯矩曲线如图2所示，其包络面积即为消耗能量，如式⑵所示，量纲为“力X位移X弧度”，也即能量量纲。本技术正是利用(2)式构造适当的阻尼器形式。Ex = ^F(x)dx(1)Εθ = (Μ(&) θ(2)传统的铅阻尼器包括铅挤压阻尼器、铅剪切阻尼器、铅节点阻尼器、圆柱型铅阻尼器、Focardi型铅耗能装置、异型铅阻尼器等。图3和图4分别为铅挤压阻尼器和剪切阻尼器；前者依靠中心轴与管腔内铅的相对运动，铅被挤压发生塑性变形消耗能量；后者依靠剪切杆端头剪切板剪切铅，铅发生剪切变形消耗能量。近些年来，陆续出现一些新型的铅阻尼器，如北京工业大学闫维明等开发的转动式铅剪切阻尼器和板式剪切型铅阻尼器；转动式剪切阻尼器主要用于梁柱节点，地震中梁柱节点发生变形倾斜时该阻尼器将发生作用； 广州大学周云等开发了铅阻尼筒减震器；既有研究表明，铅阻尼器具有以下特点(1)在小变形下即可获得良好的耗能能力；(2)除圆柱型阻尼器外，其他阻尼器滞回环曲线具有典型的“库伦摩擦”特性，力学模型简单；C3)荷载频率和循环次数对工作性能影响较小，具有良好的稳定性和耐久性；(4)构造简单，制造方便。传统铅阻尼器的一般均系利用相对平动位移的变化使得铅发生塑性变形，以此消耗能量；鲜有利用相对转动位移的变化使得铅发生塑性变形来耗能的情况。扭转铅挤压阻尼器与传统铅挤压阻尼器相比，两者弹性阶段的平面简化模型如图5和图6所示。其耗能本质分别如式C3)和(4)所示。可见，两者的耗能本质不同。ClE1 = (Q^q1L) dx (3)dE2 = (Q2+g2L/3) Ld θ (4)式中 , 分别为传统铅挤压阻尼器挤压面压力和端部剪切力；Q2，q2分别为扭转铅挤压阻尼器挤压面压力和端部剪切力。本技术以此为出发，根据既有铅阻尼器的特点，构造新型扭转铅挤压阻尼器， 以满足不同的耗能需要。本技术提出一种基于中心轴扭转挤压铅耗能的铅挤压阻尼器，可用于扭转耗能结构体系中(如梁柱间的相对转角、旋转门阻尼制动)，或通过相关转换结构(如齿轮、斜面等)将常规的相对平动位移的耗能机制转换为相对转角位移的耗能模式。此外，传统铅挤压阻尼器和铅剪切阻尼器的行程受到外钢管长度和中心轴(剪切杆) 本身的稳定性限制，本技术提出的利用转动齿轮和平动齿条进行转换后，相对平动位移幅值可以在较大范围内变动且平动齿条长度不受结构稳定性的影响。
技术实现思路
技术问题本技术提供一种构造简单、加工方便、性能稳定、耗能能力强的扭转型铅挤压阻尼器。技术方案本技术所述的一种扭转型铅挤压阻尼器，包括内部充填有铅的封闭腔体及中心转轴，所述中心转轴穿过封闭腔体，在中心转轴上设置的凸缘。有益效果本技术提供了一种构造简单、加工方便、性能稳定的扭转型铅挤压阻尼器利用埋置于铅内中心转轴上凸缘的转动挤压铅，铅发生塑性变形耗能。对于可以直接应用于利用构件间相对转角位移耗能的体系；亦可通过设置转动齿轮和平动齿条的方法，将构件间的相对平动位移转换为扭转型铅阻尼器的耗能。扭转型铅挤压阻尼器构造简单，耗能能力强，且不受工作硬化或疲劳的影响，具有良好的稳定性和耐久性。可广泛应用于工程结构的减振(震)耗能。以单轴扭转铅挤压阻尼器为例，基于Abaqus平台分析该阻尼器的耗能特性。有限元模型中采取如下假定(1)仅考虑凸缘与铅的接触，不考虑摩擦影响，即转动弯矩仅源于凸缘对铅的挤压；( 假定作用于凸缘上的接触应力沿中心转轴方向没有变化；C3)假定封闭腔体以及转轴上的凸缘没有变形，视为刚体；(4)铅的材料特性采取理想弹塑性本构。根据O)的假定，采用平面应变模式，计算出该模式下的中心转轴弯矩后，乘以凸缘的长度， 即可视为该阻尼的转动弯矩估计，如式( 所示。M= ml(5)式中历-依据平面应变模式计算的转动弯矩；M-阻尼器的转动弯矩估计；L-凸缘沿中心转方向的长度。假定凸缘沿中心转轴方向的长度为120mm、高度为55mm，建立有限元模型如图7所示，单元和节点数分别为109 和10654。采用4节点平面应变单元CPE4R模拟铅；平面线刚体单元R2D2模拟凸缘；铅与凸缘间设置硬接触即铅不可穿透凸缘；约束铅四周节点以及凸缘剖面中心点的平移D0F。由于中心转轴在旋转过程中，铅的变形较大，为节约计算时间和便于模型收敛，文中采用Explicit求解器进行分析，选定凸缘旁一定圆周范围内的单元为ALE自适应网格以适应单元的严重变形。计算中同时考虑材料与几何非线性。凸缘中心点施加面外的转角时程如图8所示。单轴与双轴情况下，每个中心转轴的转角-弯矩曲线如图9和图10所示(其中 UFL和UFR分别为封装于一个封闭腔体内左右中心转轴的转动弯矩)。由图9可见，(1)转角-弯矩曲线接近矩形，较为饱满；( 转动的初始刚度较大，一旦凸缘一的侧铅达到屈服应力后，转轴弯矩基本变化较小；C3)中心转轴变化转动方向时，转动弯矩出现跳跃。由于3/4页是平面应变模型，故输出的弯矩为每单位长度的弯矩，图9(左)可见，弯矩最大值约90N*m/ mm。该弯矩尚需乘以凸缘沿中心转轴方向的长度L= 120mm，故输出弯矩峰值约10800N*m， 再乘以转动的弧度即为消耗的能量。假定扭转铅挤压阻尼器端部以半径80mm的齿轮传递出来，中心轴转动Irad，则耗能为10800N*m，假定常规的铅挤压阻尼器峰值输出力135kN， 则对应平动位移约80mm。单轴扭转铅挤压阻尼器平面应变模型中，中心转轴转至某位置时，铅的Mises应力和等效塑性应变分布分别如图11和图12所示。可见，塑性应变分布主要集中于凸缘的旋转圆范围内，转动过程中，中心转轴附近铅的Mises应力基本均达到了屈服强度。修改凸缘截面高度11至四讓、78讓以及100mm，分别建模计算出中心转轴转动弯矩峰值历。算例所给参数为例，经拟合，转动弯矩峰值历与凸缘高度h的初步估计关系式如式 (7)所示(式中，历与h的单位分别为N*m/mm和mm)，其结果如图13所示。fn = ah2 +bh + c(6)式中，历-依据平面应变模式计算的转动弯矩；h_凸缘高度；a、b、C-待定参数。rn = Omillh2 - 0.\519h+ 1.191(7)以下结合附图和实施方式进一步对本技术进行说明。图1位移-荷载曲线。图2转角-弯矩曲线。图3传统铅挤压阻尼器。图4传统铅剪切阻尼器。图5传统铅挤压阻尼器简化力学模型。图6扭转铅挤压阻尼器简化力学模型。图7铅挤压阻尼器平面模式下的有限元网格。图8中心转轴的转角时程。图9中心转轴的转角-弯矩曲线。图10双中心转轴的转角-弯矩曲线。图11中心轴转动过程中铅的Mises应力分布。图12中心轴转动过程中铅的等效塑性应本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种扭转型铅挤压阻尼器，包括内部充填有铅（２）的封闭腔体（１）及中心转轴（３），所述中心转轴（３）穿过封闭腔体（１），其特征在于，在中心转轴（３）上设置的凸缘（４）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：焦常科，李爱群，操礼林，王浩，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：实用新型
国别省市：84