碰撞阻尼器與電磁阻尼器組合可行性分析

林籽先 陳立浩 王云騫 同濟大學 土木工程學院 上海 200092

碰撞阻尼器與電磁阻尼器組合可行性分析

林籽先 陳立浩 王云騫 同濟大學 土木工程學院 上海 200092

碰撞阻尼器通過摩擦、碰撞來轉移并耗散結構的動能，較多設置為顆粒碰撞阻尼器，但實際運用中仍有許多要改進的地方。電磁阻尼器是有待進一步研究的方向，通過運用不同于傳統的電磁阻尼機理，和碰撞阻尼器組合將可以增大原阻尼器耗能效率，克服一定缺點。本文就這兩種阻尼器機理進行分析并對組合后的效果進行了可行性分析，利于下一步實際的研究。

碰撞阻尼器；電磁阻尼器；可行性分析

0　引言

碰撞阻尼器屬于非線性振動系統，而其固有的復雜非線性特征決定了其理論研究的復雜性，它不像動力消振器那樣能夠找到計算最優參數的公式。近年來圍繞這一內容已經開展了許多研究工作，并研究了在自激振動下碰撞阻尼器系統的分岔與混沌過程，研究了碰撞阻尼器混沌運動的數學模型建立，他們的研究都是基于碰撞阻尼器是在完全彈性碰撞的假設分析而得的，是偏向理論化的。因此，為了將理論實踐化，又避免碰撞阻尼器趨向混沌運動而影響減振效果，本文將分析對碰撞阻尼器改進的可能性及問題分析，這方面的研究對理論通向實踐運用有很好的指導意義。

1　碰撞阻尼器阻尼機理分析

阻尼器的設置是為了增大耗能，減小主體結構振動幅度，從而達到保護主體結構的目的。目前常用的建筑結構阻尼器類型多種多樣，包括粘滯阻尼器、碰撞阻尼器等。本文以碰撞阻尼器為主進行介紹。碰撞阻尼器在工作過程中，耗能機理分為兩種：一種是主系統與自由質量相互之間由于碰撞前后速度變化而發生動量傳遞，引起碰撞耗能；另一種是主系統與自由質量和自由質量間間相對滑動引起摩擦耗能。

當自由質量只有單個時，能量耗散主要靠碰撞過程中的動量傳遞；隨著自由質量個數增多，摩擦耗能比逐漸增大，與動量傳遞耗能同時起作用。但是摩擦耗能比不會無限上升，當自有質量變小個數變多到一定限度，對總摩擦力影響甚小，極端例子就是一些高層建筑頂層設置水池充當阻尼器作用。經過對相關內容研究分析，參與碰撞的自由質量個數越多，系統的阻尼越大，減振效果就越好，所以實際生產中更多以顆粒碰撞阻尼器為主，但碰撞阻尼器的兩個敏感參數，間隙比和恢復系數比較難以確定。本文作者認為既然碰撞阻尼器在參數選擇上難做到最優化，且自身易產生混沌運動對結構減振有不良影響，那么對單一的碰撞阻尼器進行組合改進是一個除了進一步優化參數外的較好選擇。

2　電磁耗能機理分析

在目前眾多阻尼器中，利用電磁耗能的技術并未被廣泛應用于碰撞阻尼器當中，但有很多關于單一電磁耗能阻尼器的研究與應用，而且電磁阻尼器由于其直接接觸、噪聲小、維護方便、可靠性高、阻尼力可調，在工程中都有廣泛的應用。其中又分為利用動生電動勢和感生電動勢進行耗能。

動生電動勢由電磁感應定律知道，金屬板在磁場中運動會產生渦流同時轉化為電阻熱而耗散掉，電磁阻尼器即是基于此原理而開發的。從能量方面看，當渦流板在結構振動時，將相對阻尼器做往復運動，產生渦流而耗散能量，即機械能轉化為熱能而耗散掉，從受力方面看當渦流板相對阻尼器做往復運動時將提供一定的阻尼力，而阻尼力是耗能減振器的最重要參數，阻尼力越大越好。而類似的實驗顯示，電磁阻尼器在適中構件大小的情況下能產生的阻尼力較為有限，同時阻尼力在振動過程中會有異常增大的情況。產生這些情況的原因有兩種，一是構件性能有限，無法在較小的體量下產生較大的效應，這就表明電磁阻尼器有改進或與其他類型的阻尼器組合的必要性。

二是電磁耗能產生渦流的變異性，這直接導致了阻尼力在實驗過程中會有較大的增福，而這種現象仍有待研究。感生電動勢目前較少運用，其基本原理是通過磁場在線圈中的強弱變化引起線圈的電磁感應現象，從而使線圈產生反向斥力即阻尼力并由于線圈的電阻效應進行耗能。這種機理最大的優點便是耗能方面會有較大的保障，在質量塊發生運動時，阻尼器產生的反向阻尼力更可控，耗能機制更科學。

3　碰撞阻尼器與電磁阻尼器組合優化

目前較多的研究表明，碰撞阻尼器的質量體在相同質量下，數量越多，減振效果越好，但會存在一個近似的極值。因此目前碰撞阻尼器根據此實驗結果較多設計為顆粒碰撞阻尼器。但顆粒碰撞阻尼器仍有許多應用上的缺點：首先，傳統的顆粒阻尼器內顆粒堆疊在一起，這樣極大地限制了顆粒的運動能力，減振效果不佳；其次，顆粒群由尺寸相同的顆粒組成，在外激勵下碰撞次數較少從而能量耗散效果差。因此目前較多的顆粒阻尼器研究是如何提高其工作效率，即原理可行但仍有改進的必要。有些優化是設置為鏈式，方陣式的顆粒碰撞陣列，但這些研究只是最優化的解決，增大了碰撞效率但犧牲了碰撞次數，且較為耗費空間，不利于工程中的實際運用。

綜上兩點所述，我們可以將碰撞阻尼器與電磁阻尼器組合進行優化，在此我們先舉單個質量塊為例子如圖1。

圖1

這是組合阻尼器的剖面效果圖，附加質量塊兩端裝配強磁性擋件，軌道兩終端配有高阻尼橡膠擋件協助耗能，軌道外設置電阻適當的多匝線圈，并可連接通電。當主體結構振動時，附加質量塊在自身慣性的作用下將相對阻尼器做往復運動，附加質量塊兩端的強磁性材料原本對兩端的線圈的磁場就會呈現增強減弱的往復變化，由于感生電動勢的原理，質量塊運動方向指向的線圈會產生電流并產生反向磁場，而遠離方向的線圈則相反，但兩者都會對質量塊施加減弱運動的阻尼力并在線圈中產生焦耳熱耗能。當振動幅度過大時，軌道兩端的高阻尼擋件會協助耗能。在振動停止后，可以對兩端線圈通電流使質量塊慢慢回復到原來的位置，利于下一次運用。這樣的組合設計在往常的研究中尚未出現，本文為其總結了以下優點：

1）質量塊振動幅度被大大減弱，碰撞次數減小不但可以增大耗能還可以減小噪音。

2）理論上有可減小碰撞質量塊混沌的可能性，有待進一步研究。

4　結論

在關于組合兩種阻尼器上會有性能上的優化，但優化多少還是得靠模擬實驗來提供進一步的優化參數選擇，因此是有待研究的方向，而對于本組合的細節調整以及未來的改進優化都將基于本組合模型的基本思路。

林籽先（1995- ），男，廣東人，本科生，建筑工程方向。