碰撞阻尼器与电磁阻尼器组合可行性分析

林籽先 陈立浩 王云骞 同济大学 土木工程学院 上海 200092

碰撞阻尼器与电磁阻尼器组合可行性分析

林籽先 陈立浩 王云骞 同济大学 土木工程学院 上海 200092

碰撞阻尼器通过摩擦、碰撞来转移并耗散结构的动能，较多设置为颗粒碰撞阻尼器，但实际运用中仍有许多要改进的地方。电磁阻尼器是有待进一步研究的方向，通过运用不同于传统的电磁阻尼机理，和碰撞阻尼器组合将可以增大原阻尼器耗能效率，克服一定缺点。本文就这两种阻尼器机理进行分析并对组合后的效果进行了可行性分析，利于下一步实际的研究。

碰撞阻尼器；电磁阻尼器；可行性分析

0　引言

碰撞阻尼器属于非线性振动系统，而其固有的复杂非线性特征决定了其理论研究的复杂性，它不像动力消振器那样能够找到计算最优参数的公式。近年来围绕这一内容已经开展了许多研究工作，并研究了在自激振动下碰撞阻尼器系统的分岔与混沌过程，研究了碰撞阻尼器混沌运动的数学模型建立，他们的研究都是基于碰撞阻尼器是在完全弹性碰撞的假设分析而得的，是偏向理论化的。因此，为了将理论实践化，又避免碰撞阻尼器趋向混沌运动而影响减振效果，本文将分析对碰撞阻尼器改进的可能性及问题分析，这方面的研究对理论通向实践运用有很好的指导意义。

1　碰撞阻尼器阻尼机理分析

阻尼器的设置是为了增大耗能，减小主体结构振动幅度，从而达到保护主体结构的目的。目前常用的建筑结构阻尼器类型多种多样，包括粘滞阻尼器、碰撞阻尼器等。本文以碰撞阻尼器为主进行介绍。碰撞阻尼器在工作过程中，耗能机理分为两种：一种是主系统与自由质量相互之间由于碰撞前后速度变化而发生动量传递，引起碰撞耗能；另一种是主系统与自由质量和自由质量间间相对滑动引起摩擦耗能。

当自由质量只有单个时，能量耗散主要靠碰撞过程中的动量传递；随着自由质量个数增多，摩擦耗能比逐渐增大，与动量传递耗能同时起作用。但是摩擦耗能比不会无限上升，当自有质量变小个数变多到一定限度，对总摩擦力影响甚小，极端例子就是一些高层建筑顶层设置水池充当阻尼器作用。经过对相关内容研究分析，参与碰撞的自由质量个数越多，系统的阻尼越大，减振效果就越好，所以实际生产中更多以颗粒碰撞阻尼器为主，但碰撞阻尼器的两个敏感参数，间隙比和恢复系数比较难以确定。本文作者认为既然碰撞阻尼器在参数选择上难做到最优化，且自身易产生混沌运动对结构减振有不良影响，那么对单一的碰撞阻尼器进行组合改进是一个除了进一步优化参数外的较好选择。

2　电磁耗能机理分析

在目前众多阻尼器中，利用电磁耗能的技术并未被广泛应用于碰撞阻尼器当中，但有很多关于单一电磁耗能阻尼器的研究与应用，而且电磁阻尼器由于其直接接触、噪声小、维护方便、可靠性高、阻尼力可调，在工程中都有广泛的应用。其中又分为利用动生电动势和感生电动势进行耗能。

动生电动势由电磁感应定律知道，金属板在磁场中运动会产生涡流同时转化为电阻热而耗散掉，电磁阻尼器即是基于此原理而开发的。从能量方面看，当涡流板在结构振动时，将相对阻尼器做往复运动，产生涡流而耗散能量，即机械能转化为热能而耗散掉，从受力方面看当涡流板相对阻尼器做往复运动时将提供一定的阻尼力，而阻尼力是耗能减振器的最重要参数，阻尼力越大越好。而类似的实验显示，电磁阻尼器在适中构件大小的情况下能产生的阻尼力较为有限，同时阻尼力在振动过程中会有异常增大的情况。产生这些情况的原因有两种，一是构件性能有限，无法在较小的体量下产生较大的效应，这就表明电磁阻尼器有改进或与其他类型的阻尼器组合的必要性。

二是电磁耗能产生涡流的变异性，这直接导致了阻尼力在实验过程中会有较大的增福，而这种现象仍有待研究。感生电动势目前较少运用，其基本原理是通过磁场在线圈中的强弱变化引起线圈的电磁感应现象，从而使线圈产生反向斥力即阻尼力并由于线圈的电阻效应进行耗能。这种机理最大的优点便是耗能方面会有较大的保障，在质量块发生运动时，阻尼器产生的反向阻尼力更可控，耗能机制更科学。

3　碰撞阻尼器与电磁阻尼器组合优化

目前较多的研究表明，碰撞阻尼器的质量体在相同质量下，数量越多，减振效果越好，但会存在一个近似的极值。因此目前碰撞阻尼器根据此实验结果较多设计为颗粒碰撞阻尼器。但颗粒碰撞阻尼器仍有许多应用上的缺点：首先，传统的颗粒阻尼器内颗粒堆叠在一起，这样极大地限制了颗粒的运动能力，减振效果不佳；其次，颗粒群由尺寸相同的颗粒组成，在外激励下碰撞次数较少从而能量耗散效果差。因此目前较多的颗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进的必要。有些优化是设置为链式，方阵式的颗粒碰撞阵列，但这些研究只是最优化的解决，增大了碰撞效率但牺牲了碰撞次数，且较为耗费空间，不利于工程中的实际运用。

综上两点所述，我们可以将碰撞阻尼器与电磁阻尼器组合进行优化，在此我们先举单个质量块为例子如图1。

图1

这是组合阻尼器的剖面效果图，附加质量块两端装配强磁性挡件，轨道两终端配有高阻尼橡胶挡件协助耗能，轨道外设置电阻适当的多匝线圈，并可连接通电。当主体结构振动时，附加质量块在自身惯性的作用下将相对阻尼器做往复运动，附加质量块两端的强磁性材料原本对两端的线圈的磁场就会呈现增强减弱的往复变化，由于感生电动势的原理，质量块运动方向指向的线圈会产生电流并产生反向磁场，而远离方向的线圈则相反，但两者都会对质量块施加减弱运动的阻尼力并在线圈中产生焦耳热耗能。当振动幅度过大时，轨道两端的高阻尼挡件会协助耗能。在振动停止后，可以对两端线圈通电流使质量块慢慢回复到原来的位置，利于下一次运用。这样的组合设计在往常的研究中尚未出现，本文为其总结了以下优点：

1）质量块振动幅度被大大减弱，碰撞次数减小不但可以增大耗能还可以减小噪音。

2）理论上有可减小碰撞质量块混沌的可能性，有待进一步研究。

4　结论

在关于组合两种阻尼器上会有性能上的优化，但优化多少还是得靠模拟实验来提供进一步的优化参数选择，因此是有待研究的方向，而对于本组合的细节调整以及未来的改进优化都将基于本组合模型的基本思路。

林籽先（1995- ），男，广东人，本科生，建筑工程方向。