于静毕业设计论文0528.docx

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于静毕业设计论文0528

编号

本科生毕业设计（论文）

题目：

剪切型金属阻尼器的结构

设计及力学特性分析

机械工程学院机械工程及自动化专业

学号**********

学生姓名于静

指导教师张超锋副教授

二〇一五年六月

设计总说明

在人类的生存与发展中，地震和暴风等自然灾害是不可避免的，它们严重威胁着人类的生活，因此人们对地震与风灾害的抵御与防护自古就有.近几年来，对人们的经济、生命产生巨大伤害的地震在世界各地频繁发生.而大量事实表明，地震中产生损失的主要因素是建筑物的倒塌，因此提高建筑物结构的抗震能力成为如今减少地震损失的首要方向.随着科学技术的不断推进，抗震防风的技术也逐渐提高，在建筑物中加入减震耗能装置起到了至关重要的作用，使建筑物结构的强度、刚度、延性也有了非常明显的提高.如今，结构的抗震耗能装置发展已比较成熟，现在，人们在通过调整或改变结构的震动反应以及动力参数途径，已达到进一步的提高建筑物在自然灾害中的完整性，有效的保护人们的生命安全.在减震装置阻尼器的研究与操作方面，国外已具有很先进的技术，在航天、桥梁、房屋等方面都取得了成功的应用.而如今我国为了加强建筑物结构的稳定性，也逐步的加强阻尼器研究与开发.

本课题以研究阻尼器的材料、结构以及力学性能来说明其在建筑物的耗能减震中的作用.通过对不同金属材料的拉伸与扭转实验数据对比从而得到具有更好的耗能特性的，更利于制成阻尼器的金属材料.并对金属材料的阻尼器进行不同的几种结构设计，在结构设计时，主要以剪切型金属阻尼器为对象，我会考虑到将其尽可能设计成对称的结构形式，减少结构的不规则形状和复杂程度，以便选择合适的加工工艺、操作规则，使其在工业生产与建筑物中的安置更加容易，降低废品率和制造成本.最后会针对剪切型金属阻尼器进行滞回性能和屈曲性能的分析，通过对不同结构的对比已得到最优化的结构方向.

本文主要的实施方式除对实验数据比较分析外，主要运用了Ansys有限元软件通过建立三维几何模型，进行前处理，包括划分网格，网格优化，添加材料属性，边界条件，以及载荷等进行模态仿真.并通过分析仿真结果对不同结构的阻尼器进行对比分析，看其耗能特性是否良好，并从结构上做出相应的优化改进.除此之外，我还利用Ansys软件对不同结构、以及翼缘和腹板尺寸的剪切型金属阻尼器进行滞回性能和屈曲性能两方面的力学特性分析.通过对仿真结果得到滞回曲线以及相应载荷下的应力应变云图比较、研究，可得出影响阻尼器滞回与屈曲特性的因素，对相应因素进行改变、优化，从而可以优化阻尼器的结构.

通过此次课题研究可以表明剪切型金属阻尼器具有良好的耗能减震功能，可以满足提高建筑物抗震能力的要求.并且对于改变结构以及腹板、翼缘尺寸的阻尼器其耗能特性的变化还是比较明显的，因此，在实际工业建筑应用时，应考虑多方面因素以使用最为恰当的阻尼器。

关键词：

金属阻尼器；Ansys有限元分析；耗能减震；屈曲分析

DesignGeneralInformation

Withthesurvivalanddevelopmentofhuman,earthquake,stormandothernaturaldisastersareinevitable,andtheyareseriousthreatstohumanlife.Sopeopleresistearthquakeandwinddamagesinceancienttimes.Inrecentyears,theearthquakeshappenedmorefrequentlyaroundtheworld,whichcausedhugedamagetopeople'slivesandproperty.Thefactisthatthemainreasonforlossesisthebuildingcollapsedintheearthquake,andthereforetoimprovetheseismiccapacityofthebuildingstructuretoreduceearthquakelossesnowbecomestheprimarydirection.Withthecontinuousadvanceofscienceandtechnology,seismicwindtechnologyisgraduallyimproving.Addingdampingenergyconsumingdeviceinthebuildingplaysavitalroleinmakingthebuildingstructurestrength,stiffness,ductility.Today,thedevelopmentofseismicenergydissipationdevicestructureismoremature,peopleinshockreactionbyadjustingorchangingthewaythestructureanddynamicparametershasreachedfurtherimproveintheintegrityofthebuildinginnaturaldisastersandeffectiveprotectionfrompeople'slivesintheshockabsorberdamperresearchandoperationalaspects,whichhaveveryadvancedtechnology,aerospace,bridges,houses,etc.andhavemadeasuccessfulapplication.ButtodayChinaisalsograduallystrengthenDamperanddevelopment,whichwillbeapplytovariousareasinordertoensurethestabilityofthestructure.

Theproblemwiththematerial,structureandmechanicalpropertiesofthedampertoexplainitsroleinbuildingtheenergydampingbytensionandtorsiontestdatacomparisonofdifferentmetalmaterials,whichresultsinbetterenergyconsumptioncharacteristicsandmoreconducivetothedamper.Itisconsideredofthemetalmaterialsandmetalmaterialsdamperofseveraldifferentstructuraldesign,structuraldesign,themainsheardampermetalobject.Iwouldconsidertodesignasymmetricalstructure,inordertoreducethecomplexityoftheirregularshapeandselectanappropriateprocessingtechnology,operatingrules,itplacedinindustrialproductionandbuildingsmoreeasily,andreducedscrapratesandmanufacturingcosts.Finally,hysteresisperformancewillbeanalyzedandresearchthebehaviorforshearingmetaldamper,throughthecomparisonofdifferentstructures.

Exceptforexperimentaldataanalysis,thearticlemainlyembodiestheuseofAnsysfiniteelementsoftwarethroughtheestablishmentofthree-dimensionalgeometricmodelforpre-treatment,includingmesh,meshoptimization,addmaterialproperties,boundaryconditionsandload,etc.Modalsimulationandanalysisofsimulationresultswerecomparedbyanalysisofthedifferentstructureofthedamper,andseewhetheritsenergycharacteristicsisgood,andmaketheappropriateoptimizationimprovementsfromthestructure.Inaddition,IalsouseAnsystoanalysethedifferentstructure,andsizeofflangeandwebshearingmetaldamperhystereticmechanicalpropertiesandbucklingpropertiesofbothanalysisresultsobtainedbythesimulationandthestress-strainhysteresiscurvesunderloadcontourscorrespondingcomparativestudy.Itcanbedrawnfromthedampinghystereticfactorsandbucklingcharacteristicsoftherelevantfactorschange,optimization,whichcanoptimizethedamperstructure.

Theresearchmayshowthattheshear-typemetaldamperhasagoodenergydampingfunctiontomeettherequirementsofimprovingtheseismiccapacityofbuildings.Andtochangetheirenergy,thestructureandcharacteristicsofthewebandflangedimensionsdamper.Itisquiteobvious,therefore,inpracticalindustrialconstructionapplications.Manyfactorsshouldbeconsideredinordertousethemostappropriatedamper.

Keywords:

metaldamper;Ansysfiniteelementanalysis;seismicenergydissipation;bucklinganalysis.

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1地震概况分析

地震是威胁到人类生产活动和生命财产安全的一种突发性的自然灾害[1].发生于近期的尼泊尔8.1级地震已经导致了7611人遇难，有超过14500人受伤，15.3万座建筑物已沦为废墟，这些数字再一次给了人们沉重的打击.20世纪以来，世界各地人民的生命财产安全频繁的受到地震的侵袭.数据表明，世界范围内破坏性的地震发生频率在十八次/年，2004年发生的印度洋的8.9级震导致了失踪人数23万人的严重后果，六年后的1月在海地的7.3级地震死亡人数超过了30万，一个月后智利的8.8级地震导致的财产总损失为300亿美.

近十几年来，有将近800次的6级以上地震发生在除贵州，浙江和香港以外的其他中国国土之上，在这些地震中有55万人死亡，是相同时间段内全球地震死亡人数的53%，由此数据可以看出在中国这个国土面积不到世界总面积10％的国家上也承受了全世界30%以上的大陆强震，是世界上大陆强震最多的国家[2].

1.1.2合理抗震途径

多次地震发生的事实证明，在地震中，使人们生命财产安全产生伤害的主要因素是建筑物的倒塌，因此提高建筑物结构的抗震能力，保证建筑物在地震中的完整性成为国内外相关人员研究降低地震灾害的主要方向.

常见的抗震措施有：

多层砌体房屋，框架结构和防震缝.很久以前人们就开始有意识的在结构上进行抗震以保证建筑物在地震中的完整性.在以前的生活中，人们抵御地震是通过增强结构本身的抗震性能（如强度，刚度等），但这种由结构本身来进行储存和消耗能量的对策是被动的，一旦地震由于不具备自我调节的功能这种结构就会发生或大或小的破坏，造成重大的经济损失和人员伤亡，也对后期的救助工作和修复工作有很大的阻碍，既不合理也不经济.

而经过人们不断地探索改进研究认为，给建筑物结构安装耗能减震装置（系统）是目前最为有效合理的抗震途径.这种减震装置可以替建筑物分配一部分地震中的能量，从而达到抗震装置和结构共同来承受地震作用的目的，这样地震时可以避免主体结构进入明显的非弹性状态，从而可以保证建筑物结构在强震中免于遭受破坏，将地震所产生的伤害与损失降到最低[3].

1.1.3耗能减震的意义

建筑物结构中的耗能减震装置主要用于建筑物结构中耗能减震装置在在小型地震或强风作用中主要作用是给主体结构提供足够的刚度或阻尼，这时减震装置基本处于弹性状态，而其结构也可以正常使用；此安排在中型或大型地震中，大量的能量会因为结构中的耗能减震装置（系统）率先进入耗能工作状态，产生较大的阻尼而耗散掉，这种迅速衰减结构的动力反应，使主体结构不容易出现明显的非弹性变形，从而保证了建筑物结构在强震或强风中的安全性和震后的正常使用[4].随着对建筑物结构的逐渐改善，如何合理利用耗能减震装置以提高建筑物的抗震能力成为人们在设计时不可忽视的关键所在.

1.2耗能减震装置

1.2.1耗能减震技术

结构的耗能减震技术是在结构物的某些部位（如：

支撑、剪力墙、节点、联结缝或连接件、楼层空间、相邻建筑物、主附结构间等）设置耗能（阻尼）装置（或元件），通过耗能（阻尼）装置产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）弹塑性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减小主体结构的地震反应[4].由于结构耗能减震技术具有良好显著的减震效果，安全性能高，减震机理清晰，经济合理等优点使其成为新型的主动抗震防护救灾技术之一，可用于新建筑物结构的设计和对旧建筑物抗震结构进行改修中.

1.2.2耗能减震装置的类型

可以依据不同的材料、不同的耗能机制和不同的机构来制造耗能减震装置.由于目前开发研究多个种类的耗能减震器，所以依据不同耗能减震器的分类方式也不同.分类依据有减震器与位移和速度的相关性、制造耗能减震器所用的材料、耗能减震器的耗能机理或耗能减震器的受力形式等等，而本文涉及到的剪切型金属阻尼器则是以阻尼器的材料及受力形式命名的.

目前，研究开发的耗能减震装置有以下几种，如表1-1.

表1-1目前研究开发的耗能减震装置额类型

名称

原理

分类

特点

金属阻尼器

发生震动时，由于其最先发生屈服，从而吸收大量进入建筑的能量，保护建筑结构完整性.

软钢阻尼器

该材料在塑性变形后的的滞回性能、低周疲劳特性都非常优越.

铅阻尼器

在变形中由于本身具有塑性高、延性和柔性优良的特点，可以洗漱大量的能量.

形状记忆合金阻尼器

在阻尼器两端施加拉力时，其会变长，从而内杠与活塞产生位移，硅油则会从缝隙中流过.

拉压型SMA阻尼器

该阻尼器材料可以在达到一定温度的塑性变形时使残余应力消失，拥有好的耗能特性.

复合摩擦型SMA阻尼器

磁流变阻尼器

采用的是在强磁场作用下，磁流变体会拥有快速可逆流变特性

可以通过控制外加磁场的规律，改变该阻尼器的力学性能，使结构系统的特性参数瞬间改变.

续表

名称

原理

分类

特点

摩擦阻尼器

该阻尼器凭借产生的摩擦与阻尼以消耗地震中的能量.

节点阻尼器

在地震中，该阻尼器通过滑移增加结构的阻尼，滑移后，其刚度会减小到零，从而整体结构的刚度降低，躲开卓越周期，达到了降低结构地震反应的目的.

板式阻尼器

简式阻尼器

复合型阻尼器.

粘弹性阻尼器

运用该阻尼器材料拥有的滞回减震特性，使结构产生额外刚度和阻尼，减小地震中反应.

拉压型阻尼器

该材料在温度、频率和应变幅值的影响下变化较大.

剪切型阻尼器

以上叙述中提到了各种耗能减震装置（阻尼器）的类型，每种都有各自的特点和不足，而剪切型金属阻尼器由于其不受环境与温度影响的性能，可以应用于建筑物的抗震加固与震损结构的补修.因此本文将对剪切型金属阻尼器进行结构的设计和力学特性分析的研究.

1.3阻尼器的研究和应用状况

阻尼器采用金属材料的原因是其塑性变形可以累积消耗输入地震中的能量，从而使结构的工作性能更加稳定、可靠，并有很好的耗能能力.发生地震和强风袭击时，阻尼器通过发生塑性变形将输入结构中能量耗散，可以增加建筑物的阻尼和刚度，保证其完整性.阻尼器的经济实用性、使用便捷性等特点使其拥有十分刚阔的使用前景.

对金属阻尼器最早的研究首先是由新西兰的Kelly等人在1972年进行的，而且早期都是针对软钢阻尼器进行大量的理论和试验.各国学者根据大量的试验结果与分析开发出了不同形式的软钢阻尼器，并且同年YaoJPT提出结构振动控制概念[7].对于日本这个频发地震的国家来说，金属阻尼器在建筑物中的研究与应用就更为领先与全面.对于阻尼器的减震耗能功能的使用可以推算到很早，早期应用在航天、航空、枪炮、等行业中.到后来，才将其逐步地转用到建筑、桥梁等结构工程中.

1.3.1阻尼器在桥梁方面的应用

随着人们的不断研究与改进，阻尼器的应用早已不再局限于某一方面.阻尼器在桥梁方面的应用已经逐渐成熟并跨入了新的里程碑高度.阻尼器可以增加桥梁的阻尼比，减弱桥梁在地震大风中振动能量，减少梁端以及塔顶的位移，减小墩底由于地震产生的剪力，从而也就可以将整个桥梁的受力降低，大大加强桥梁的抗震抗风能力.如果设计人员想要预防原设计没有考虑到或考虑不周的受力问题，可以在设计时在合适的位置、不同的需要方向放置阻尼器.

在国外桥梁结构上多应用粘滞阻尼器.安装了悬索阻尼器的Cochrane大桥的塔和悬索可以在震惊世界的2005年美国卡特里娜飓风中没有任何损坏，这足以说明阻尼器在桥梁上使用可以避免悬索和桥塔在大风中的共振，从而保证其在自然灾害下的完整性[8].这个事例也引起了桥梁设计院研究人员的注意，阻尼器对于桥梁的重要性毋庸置疑，自此在新建或检修大桥中加入阻尼器成为人们的研究方向之一.

我国阻尼器在桥梁方面的应用也有很多.例如作为世界第一大斜拉桥的苏通长江大桥，是世界上第一个将特殊限位特大阻尼器（测试到10000KN）应用于桥上，并安装健康监测系统，以用来观察阻尼器工作情况[8].但对于早期已经建好的大桥来说，在检测其稳定性增加相应的阻尼装置，防患于未然也是目前应该解决的问题.1999年我国第一、世界第二的江阴长江悬索大桥建成，但由于建成时间早，目前发现大桥伸缩缝处有明显的损坏，密封橡皮被拉裂，有的地方发生滑块脱落，不锈钢被挤出的现象，更为严重的地方出现了8.1cm的缝隙，这一系列发现的问题无疑不是给桥梁的使用寿命以及人们的安全出行买下了隐患[9].因此中交院通过动力分析决定采用世界上最大行程的大型阻尼器来对其性能及结构进行完善，以保证桥梁的安全运行.这也会成为我国第一个利用阻尼器来加强完善大桥.

虽然我国已经将阻尼器加入到大桥的建设与改进中，但目前已经加入阻尼器的绝大部分斜拉和悬索桥梁虽未经历过地震的袭击，但目前在大风的影响下已有部分发生了损坏.这也表明我国阻尼器在桥梁方面的应用与美国、日本等先进国家仍有很大的差距，我们还需多多学习与研究.此外，对于新建桥梁的设计方面要将阻尼器作为一个标准，以保证大桥的抗震能力，为以后的检修与使用提供了保障.

1.3.2阻尼器在航空方面的应用

正如前文所说，其实阻尼器最早是使用于航空、航天方面已达到减震耗能的目的.随着我国航天事业的飞速发展，大家都知道“神舟”宇宙飞船是由于火箭将逃逸部分与运载火箭分离而完成逃逸救生，从而返回到了地面.若宇宙飞船在升空的过程中发生意外，则在周围都有金属网翼的飞船载人舱里，网翼就会自动展开而形成一个阻尼桶达到有效保护航天员的目的.科研人员对已发射成功的神舟五号飞船上的8个阻尼器进行了计量、装配、液油、试验、称重、喷漆等程序的调试，不断努力保证了阻尼器的质量，而在完成发射后阻尼器也随之留在了太空中.

目前应用于航天方面的多以比较成熟的被动式阻尼器技术，被动式阻尼器包含有黏滞阻尼器、涡流阻尼器、黏弹性阻尼器、机械摩擦阻尼器等.在国际上，阻尼器在航天技术方面的使用已很为普遍、成熟，针对不同阻尼器的优缺点、力学特性等方面，我国应加强对此领域技术的研究.

1.3.3阻尼器在房屋建筑方面的应用

在如今的生活中，楼房的建设速度非常快速，楼房的高度也日渐增加，那么保证建筑物的质量、加强建筑物的抗震能力也成为目前急需解决的.日本作为一个多发地震的国家，房屋的抗震防护特性也比较先进，也成为发展无粘结支撑种类最多的国家.早在90年代，日本已经开始在四层的办公政府大楼中加入蜂窝状耗能器以用来提高建筑的抗震加固，并且新建于大阪HAL计算机技术研究所楼也应用了蜂窝式阻尼器.KNishimoto等人对日本NIPPONSTEEL公司开发了单核心截面的无粘结支撑进行了性能试验研究[10].

在国内，研究人员和设计人员也将减震装置应用于建筑物大楼中并逐渐趋于成熟.自我国王光远院士从1980年提出高耸结构风振控制开始，软钢阻尼器的开发已成为越来越多的学者研究的方向.在中国台湾，TADAS和HADAS已经较多的应用于建筑大楼中，例如已成功建成的金华城休闲购物中心大楼，中华大学综合体育馆等.而在中国大陆，也已成功的将HADAS合适的安装在西安的长乐苑招商局广场以加固增加建筑物的抗震能力.除TADAS和HADAS以外无粘结支撑在台湾的使用率也是相当高的，如台北县政府行政大楼，台湾省科技大学国际大楼和台大医院儿童医疗大楼等.在2010年上海成功举办的世博会中，标志性建筑物——上海中心工程上批