基于網(wǎng)格重劃分功能的鉛擠壓阻尼器有限元分析

張鈺萌　張文靜　管正華　張香成

摘要：采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了鉛擠壓阻尼器的有限元模型，采用網(wǎng)格重劃分功能模擬鉛金屬的塑性流動，解決了因單元變形過大出現(xiàn)負體積而終止計算的問題，計算得到了阻尼器的應(yīng)力云圖和力一位移滯回曲線。通過這種方法可以在阻尼器制作之前準確得到阻尼力的大小及力學(xué)性能，解決了實驗方法研究成本高、開發(fā)周期長的問題，為類似阻尼器的數(shù)值仿真分析提供參考。

關(guān)鍵詞：鉛擠壓阻尼器;網(wǎng)格重劃分;有限元模擬;數(shù)值計算

中圖分類號：TU352.1

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.039

鉛擠壓阻尼器是一種耗能性能良好、結(jié)構(gòu)簡明、制作便捷的耗能裝置，近年來得到工程界的廣泛認可和推廣[1]。為了保證鉛擠壓阻尼器在工程應(yīng)用中的可靠性，對鉛擠壓阻尼器的阻尼力進行數(shù)值分析是十分必要的[2]。

鉛擠壓阻尼器運動過程中鉛金屬會產(chǎn)生塑性流動，很難建模分析。本文首先介紹了鉛擠壓阻尼器的基本構(gòu)造及特點，然后采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了鉛擠壓阻尼器的有限元模型，并開啟了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能，最后計算得到了阻尼器的應(yīng)力云圖和力一位移滯回曲線。

1 鉛擠壓阻尼器的有限元模型

本文鉛擠壓阻尼器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造見文獻[3]，采用ANSYS/LS-DYNA進行鉛擠壓阻尼器的有限元分析，在建模時將三維問題轉(zhuǎn)化成1/2軸對稱平面問題，并采用4節(jié)點PLANE162單元，有限元模型如圖1所示。建模時的參數(shù)及假定如下：①鋼筒假定為剛體，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，剛體位移設(shè)為0;②鉛金屬及擠壓軸假定為理想彈塑性模型，鉛的彈性模量為17 GPa，屈服強度為11.8 MPa;③鉛與擠壓軸及鋼套筒之間的靜摩擦系數(shù)和滑動摩擦系數(shù)均取為0.3。

采用三角波加載，幅值為0.02 m，周期為0.8 s。

打開自動生成的k文件，將PART3（鉛金屬）中最后一個數(shù)值由0改為2，即為打開自適應(yīng)網(wǎng)格功能，然后手動添加*CONTROL ADAPTIVE，網(wǎng)格重劃分時間為0.01 s。*CONTROL ADAPTIVE

0.01 0.002 8 3 0.0 0.0 0 0

0.0 1 0 3.000

鉛擠壓過程中網(wǎng)格狀態(tài)圖2所示。

圖2（a）為未打開網(wǎng)格重劃分功能的有限元模型，從圖中可以看出網(wǎng)單元網(wǎng)格變形過大，單元產(chǎn)生畸變和負體積，從而導(dǎo)致計算中斷，而圖2（b）為開啟網(wǎng)格重劃分功能的有限元模型，其網(wǎng)格排列整齊，沒有較大的變形，兩者對比明顯。

2 計算結(jié)果分析

采用LS PrePost 4.0查看鉛擠壓阻尼器的有限元分析結(jié)果，圖3和圖4分別給出了擠壓過程中不同時刻鉛金屬的應(yīng)力云圖及鉛擠壓阻尼器的阻尼力一位移曲線。

從圖3開啟網(wǎng)格重畫分功能的壓云圖來看，應(yīng)力分布不均勻且在軸突附近應(yīng)力較大，兩端應(yīng)力較小，從圖4力位移曲線可以看到，鉛擠壓阻尼器的阻尼力為波動型的滯回曲線，滯回曲線呈矩形包含的面積較大且較為平緩，說明鉛擠壓阻尼器的耗能效率高、減震性能良好。

從有限元分析結(jié)果來看是否開啟網(wǎng)格重畫分功能，對鉛擠壓阻尼器數(shù)值分析的影響是巨大的，開啟網(wǎng)格重畫功能，在網(wǎng)格畸變的過程中選擇合理的重劃分時間，用新的網(wǎng)格代替舊的網(wǎng)格，使網(wǎng)格畸變盡可能減小，解決了網(wǎng)格畸變過大出現(xiàn)負體積計算無法收斂而突然終止的問題，且數(shù)值較為穩(wěn)定，波動小可以連續(xù)分析多個周期，得到較準確的阻尼力。如不開啟網(wǎng)格重劃分功能，將無法模擬鉛金屬的塑性流動。

3 結(jié)論

網(wǎng)格重畫分功能對鉛擠壓阻尼器的有限元模擬有十分重要的意義，解決了因網(wǎng)格畸變過大而計算終止的問題。對于鉛擠壓阻尼器阻尼力數(shù)值波動產(chǎn)生的原因，本文并沒有進行討論分析，希望今后進行補充研究。

參考文獻：

[1]閆維明，蘇亮，彭凌云，等.鉛阻尼器的發(fā)展與工程應(yīng)用[J].工程抗震與加固改造，2009，31（5）：52-57.

[2]楊明飛，徐趙東，黃興淮.鉛擠壓阻尼器對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的減振控制[J].東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，42 （4）： 713-718.

[3]張香成.鉛一磁流變復(fù)合阻尼器性能試驗及建筑結(jié)構(gòu)減震研究[D].南京：東南大學(xué)，2013.