新型壓電摩擦阻尼器的有限元分析及試驗研究①

朱軍強， 張澤鑫， 張仁猛， 李鵬飛

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

新型壓電摩擦阻尼器的有限元分析及試驗研究①

朱軍強， 張澤鑫， 張仁猛， 李鵬飛

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

利用壓電陶瓷的壓電效應，研發出一種基于半主動控制的新型壓電摩擦阻尼器，介紹其構造和工作原理。建立新型壓電摩擦阻尼器的ABAQUS有限元模型，得出阻尼器在不同工況下的滯回曲線，并進行其滯回性能試驗，用試驗值驗證阻尼器有限元模型的相似性，兩者得到的阻尼器摩擦力變化趨勢相近；采用ANSYS建立安裝有新型壓電摩擦阻尼器的輸變電塔模型，利用MATLAB計算輸變電塔模型各層的加速度響應，驗證新型壓電摩擦阻尼器在實際結構中的摩擦耗能性能，為其工程應用提供理論依據。

壓電陶瓷驅動器； 壓電摩擦阻尼器； 有限元分析； 試驗研究

0 引言

將阻尼器這種耗能減震裝置裝設在建筑結構合適部位，可以有效地消耗地震動施加在結構上的能量，減小結構的破壞程度[1]。目前一些學者已研發出多種形式的阻尼器。歐進萍課題組設計了體積較大壓電-T型變摩擦阻尼器[2]，Unsal等[3]研制了可調摩擦力小自復位壓電摩擦阻尼器；呂暉等[4]對帶有調諧液體阻尼器的結構進行了有限元分析，發現其屬于被動減震耗能裝置。本文在已有理論的基礎上，研制一種新型壓電摩擦阻尼器，該阻尼器具有體積小，可調摩擦力大，便于工程安裝等特點。對其摩擦耗能性能進行有限元分析和試驗研究，并分析將阻尼器安裝在實際結構上的減震效果以驗證摩擦耗能性能。

1 壓電陶瓷驅動器

本文在研制新型壓電摩擦阻尼器中所用的壓電陶瓷驅動器由180片壓電片堆疊而成，尺寸為10 mm×10 mm×18 mm，電壓最大值為150 V。圖1為壓電陶瓷的實物圖，圖2為壓電陶瓷驅動器的電壓-位移特性曲線，性能指標見表1。

圖1 壓電陶瓷驅動器實物圖Fig.1 The piezoelectric ceramic actuator

圖2 壓電陶瓷驅動器電壓-位移特性曲線Fig.2 The aoltage-displacement characteristic curve of piezoelectric ceramic actuator

表1 壓電陶瓷驅動器的性能指標

Table1 Performance indexes of the piezoelectric ceramic actuator

型號剛度/[N/um]標稱位移/(um@150V)(±10%)0位移推力/(N@150V)PT150/10×10/20250203600

2 新型壓電摩擦阻尼器的構造及工作原理

本文設計了一種基于半主動控制的新型壓電摩擦阻尼器，其尺寸為200 mm×40 mm×40 mm，所有約束部件全采用鋼材制作，制作精密，構造合理。實物圖見圖3，內部構造如圖4所示，新型壓電摩擦阻尼器詳細構造圖如圖5。

圖3 壓電摩擦阻尼器實物圖Fig.3 The piezoelectric friction damper

圖4 壓電摩擦阻尼器內部構造實物圖Fig.4 The internal structure of piezoelectric friction damper

圖5 新型壓電摩擦阻尼器詳細構造圖Fig.5 The detailed structure of new piezoelectric friction damper

阻尼器內部預設三個壓電陶瓷驅動器，可根據實際情況自主調節。在每個驅動器的外部設置了套筒，以保護驅動器不因側向力而變形。安置在壓電陶瓷驅動器上下的鋼制墊片作為套筒的上蓋和底蓋，可以保證驅動器與阻尼器上頂板、底座接觸緊密。最外面的套筒與作動拉桿相連，當作動拉桿受力時，拉桿把力傳遞給套筒上，套筒通過上頂板和底座將力傳遞給另外兩個套筒，以實現阻尼器的滑動。當結構受到外力作用發生變形時，通過預緊螺栓向阻尼器施加預壓力，槽體與阻尼器產生的相對運動會產生摩擦，使阻尼器摩擦耗能。壓電摩擦阻尼器的半主動控制系統[5]會根據結構的響應，施加給壓電陶瓷相應的電壓，根據壓電陶瓷所具有的逆壓電效應，使壓電摩擦阻尼器內部的摩擦力有效增加，利用阻尼器內部本身所產生的摩擦力逐漸消耗能量。

本文設計的新型壓電摩擦阻尼器的特點是：(1)設計輕巧、方便，阻尼器出力大，易于在工程上安裝使用；(2)壓電陶瓷驅動器外設置有套筒，保護其工作時不因受剪而損壞；(3)阻尼器內部的作動拉桿上加入了復位彈簧。當作動桿件受單方向的力作用時，彈簧的彈力可將作動拉桿進行復位，讓阻尼器重復受力。

3 新型壓電摩擦阻尼器的有限元分析

在進行新型壓電摩擦阻尼器的有限元分析時采用ABAQUS軟件[6]。選用ABAQUS自帶的塑性本構關系，采用實體單元C3D8R建立構件模型。在建模過程中，新型壓電摩擦阻尼器所使用的鋼材為理想彈塑性材料，彈性模量為505 000 MPa，泊松比為0.27，圖6為新型壓電摩擦阻尼器的ABAQUS有限元模型。為研究阻尼器在通電情形下的響應，完全約束阻尼器底部，在Step功能模塊中創建兩個分析步[7]。分析步一：在加電情況下施加等效壓力荷載；分析步二：按位移加載制度施加往復作用，加載制度如圖7所示。

圖6 阻尼器ABAQUS有限元模型Fig.6 ABAQUS finite element model of the damper

圖7 位移加載制度Fig.7 Displacement loading system

在兩種工況下對新型壓電摩擦阻尼器進行加載，得到新型壓電摩擦阻尼器在不同電壓下的滯回曲線，對比分析摩擦耗能情況。

工況一：在阻尼器里面安裝一個壓電陶瓷驅動器，在位移加載下分別施加30 V、60 V、90 V和120 V電壓(壓電陶瓷堆的極限電壓為150 V)，在各個電壓下分別進行有限元分析(圖8)。

工況二：在阻尼器里面安裝二個壓電陶瓷驅動器，在位移加載下，分別施加同工況一相同的電壓，在各個電壓下分別進行有限元分析，如圖9所示。

圖8 安裝一個驅動器的阻尼器滯回曲線Fig.8 Hysteresis curve of the damper with one actuator installed

從圖8可以看出，隨著施加在壓電陶瓷驅動器上電壓的增大，滯回曲線所包含的面積變大，滯回曲線也越飽滿，說明新型壓電摩擦阻尼器的摩擦耗能性能與加載的電壓成正比；該阻尼器的摩擦耗能性能良好。

圖9 安裝二個驅動器的阻尼器滯回曲線Fig.9 Hysteresis curve of the damper with two actuators installed

分析圖9可以得出，電壓依次增加，阻尼器的輸出力逐漸增大，滯回曲線包絡面積更大，摩擦耗能性能更好。對比分析圖8和圖9可以得出，在加載電壓相同的情況下，安裝兩個驅動器的阻尼器比安裝一個驅動器的阻尼器的輸出力大，因此可以證明，前者的摩擦耗能性能比后者更好。隨著安裝在阻尼器上的壓電陶瓷驅動器數量的增加，阻尼器的摩擦力也隨之增大，摩擦耗能性能隨之改善。

4 新型壓電摩擦阻尼器的滯回性能試驗

新型壓電摩擦阻尼器的滯回性能試驗是在西安建筑科技大學工程力學實驗室的電子萬能試驗機上進行的，試驗裝置如圖10所示，試驗機的性能指標如表2所示。

圖10 電子萬能試驗機Fig.10 The electronic universal testing machine

表2 電子萬能試驗機的性能指標

試驗開始前，用電子萬能試驗機上的鋼夾將阻尼器兩端夾緊，把阻尼器固定在試驗機上，然后調整阻尼器的位置，確保試驗開始時阻尼器處于平衡位置。試驗時采用位移進行控制，位移幅值設為3 mm，初始預壓力為500 N。試驗中的阻尼器安裝二個壓電陶瓷驅動器，驅動器加載電壓分別設為0 V、30 V、60 V、90 V和120 V。在不同的電壓下對阻尼器進行加載，每次加載均從阻尼器平衡位置開始，再回到平衡位置，最終得到阻尼器在不同電壓下的滯回曲線。利用試驗機上的傳感器采集新型壓電摩擦阻尼器的位移和摩擦力大小，得到安裝二個壓電陶瓷驅動器的阻尼器滯回曲線(圖11)。

圖11 試驗所得安裝兩個驅動器的阻尼器滯回曲線Fig.11 Hysteresis curve of the damper installing two actuators through the experiment

從圖11可以看出，隨著施加電壓的增加，滯回曲線的面積變大且曲線也越飽滿，新型壓電摩擦阻尼器的摩擦力隨著電壓的增加而增大，證明該阻尼器的摩擦耗能性能良好。對比分析圖9與圖11可知，新型壓電摩擦阻尼器的試驗得到的摩擦力值比軟件分析得到的值小，其原因是壓電陶瓷驅動器位移變化值影響了阻尼器出力大小，而實際中壓電陶瓷驅動器的驅動位移很小，僅有微米級別，且受到阻尼器自身制作和安裝影響的因素較多，所以導致阻尼器出力減小。實驗中位移還出現了0.3 mm左右的捏攏現象，這是加載接觸時機械咬合誤差所致，其位移量比較小，可通過增加阻尼器預壓力減小這種現象。另外在工程應用中，可通過增加安裝在結構上的阻尼器的數量提高阻尼器的摩擦耗能性能。

5 安裝有阻尼器的輸變電塔模型有限元分析

為驗證新型壓電摩擦阻尼器在實際結構中的摩擦耗能性能，對安裝有本阻尼器的輸變電塔模型進行有限元分析。

建立輸變電塔模型時采用ANSYS軟件[8]。圖12為輸變電塔模型尺寸。選用Beam188梁單元，截面尺寸均為30 mm×30 mm×3 mm×3 mm；材料彈性模量為2.06×1011MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。模型共六層，在三、四層安裝有帶阻尼器的斜桿。在ANSYS有限元計算中，阻尼器模型按照圖9所得二驅動器模式建立，并轉化為出力模式。通過ANSYS有限元計算，提取MATLAB計算中所需結構的質量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣。輸變電塔的ANSYS有限元模型見圖13。利用MATLAB實現過程半主動控制，在模型的X方向上輸入0.2 g和0.4 g的El-Centro波，最后得出模型在無控、半主動狀態下的加速度反應[9]。

輸變電塔模型結構第二、三、四層的加速度數值結果見表3。限于篇幅，本文只給出在0.2 g地震作用下結構模型第二、三、四層無控和有控時加速度的時程曲線(圖14)。 結合表3和圖14可以得出，當0.2 g、0.4 g的El-Centro波作用在模型結構上時，阻尼器對輸變電塔模型的減震控制效果良好，其中結構第三層的減震率最高，效果最明顯。由新型壓電摩擦阻尼器在輸變電塔模型結構上起到的減震效果可以驗證，本阻尼器有著良好的摩擦耗能性能，并且在結構上有良好的有效性。

圖12 輸變電塔模型尺寸圖(單位：mm)Fig.12 The model size of the power transmission tower(unit：mm)

圖13 輸變電塔的ANSYS有限元模型Fig.13 ANSYS finite element model of the power transmission tower

表3 輸變電塔模型各層加速度峰值反應和減震率(%)

圖14 0.2 g地震波作用下各層的加速度時程曲線Fig.14 Acceleration time-history curve of each layer under a seismic wave of 0.2 g

6 結語

本文研制一種新型壓電摩擦阻尼器，并且對其進行有限元分析和試驗研究。結果表明，該新型壓電摩擦阻尼器擁有良好的摩擦耗能性能，并且可以根據實際情況選擇在阻尼器中設置不同數量的壓電陶瓷驅動器，以獲得不同的摩擦耗能性能。將阻尼器應用于實際結構中，可以對結構產生明顯的減震控制效果，具有良好的實用性。

References)

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Finite-element Analysis and Test Study on a New Piezoelectric Friction Damper

ZHU Jun-qiang， ZHANG Ze-xin， ZHANG Ren-meng， LI Peng-fei

(SchoolofCivilEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an，Shaanxi710055，China)

Using the piezoelectric effect of piezoelectric ceramics，this article developed a new piezoelectric friction damper based on semi-active control theory，and described its structure and working principle.The ABAQUS finite-element model of the new piezoelectric friction damper was established.By the model，the damper hysteresis curve was obtained under different conditions，and a hysteretic damper performance test was conducted.Simultaneously，the finite-element calculations and experimental values of the damper were compared.By comparing the hysteresis curves of the finite-element simulation and the hysteretic damper performance test，the following conclusions could be obtained.The hysteresis curve of the damper which installs one piezoelectric ceramic actuator was full，and the friction energy performance of the new piezoelectric friction damper was good；the hysteresis curve of the damper which installs two piezoelectric ceramic actuators was fuller than installing one piezoelectric ceramic actuator，thus by installing two piezoelectric ceramic actuators，the friction damper could obtain better friction energy performance；the cause of the deviation between the theoretical and experimental values was that the driver displacement of the piezoelectric ceramic actuator was small and was affected by many manufacturing factors；so the actual output of the damper was small.Then；a model of a new piezoelectric friction damper installed on a power transmission tower was established by ANSYS；and the acceleration response of the layers of the power transmission tower model was computed by MATLAB.The friction energy performance of the new piezoelectric friction damper in the actual structure could be verified.The following conclusions could be obtained through the finite-element simulation：the effect of the damping control of the new piezoelectric friction damper installed on a power transmission tower was good，and the new piezoelectric friction damper had good practicability.This article can provide a theoretical basis for the engineering applications of the damper.

piezoelectric ceramic actuator； piezoelectric friction damper； finite element analysis； test study

2014-06-30

國家青年科學基金項目(51008245)

朱軍強(1976-)，男，陜西人，副教授，從事工程結構智能減震與控制技術研究.E-mail：492145400@qq.com

TU528.01

A

1000-0844(2015)02-0377-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0377