陶文兵 沈景鳳 王正東 田順

摘? 要：針對(duì)目前C型金屬阻尼器在阻尼單元尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在尺寸參數(shù)過少，結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)單和實(shí)際應(yīng)用中的效果誤差太大等問題。應(yīng)用分類和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于參數(shù)模型模擬阻尼器在受力載荷下時(shí)應(yīng)力應(yīng)變情況，運(yùn)用ABAQUS對(duì)三款不同初始角度的金屬阻尼器單元進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，結(jié)果表明三款阻尼單元彈塑性過渡階段、塑性階段后的屈服剛度與初始剛度的比值分別在2.8和17左右，與工程應(yīng)用中的鋼材經(jīng)驗(yàn)計(jì)算比值3和20十分接近，符合實(shí)際狀況。

關(guān)鍵詞：金屬阻尼;單元設(shè)計(jì);仿真;ABAQUS

Abstract： There are many problems in design of damping element size structure for C-type metal damper， including too few dimension parameters， over-simplified structure， big effect error in practical application， etc. Through the method of classification and system design， the stress and strain of the damper are simulated based on the parameter model. Three metal damping elements with different initial angles are designed by using ABAQUS. The results show that the ratios of yield stiffness to initial stiffness of three damping elements are around 2.8 and 17， respectively during and after the elastic-plastic stage， which are very close to the ratios of 3 and 20 in empirical calculation of steel in engineering application， in line with the actual situation.

Keywords： metal damping; unit design; simulation; ABAQUS

1? ?引言（Introduction）

C型金屬阻尼器是以多片C形狀的金屬阻尼單元為基礎(chǔ)，以某種支座連接組合而成的具有阻尼性能的裝置。工作原理是通過阻尼單元的拉彎塑性形變消耗水平方向的地震力，從而保護(hù)橋梁主體結(jié)構(gòu)免于破壞，其材料一般是軟鋼或高強(qiáng)度鋼，其構(gòu)造主要由支座和阻尼單元兩部分連接組成，支座又可以為普通鋼阻尼支座、高阻尼橡膠支座、球型鋼支座與球型支座，后三者平常與普通鋼支座作用類似，地震時(shí)發(fā)揮阻尼器作用，能有效地消耗豎向震動(dòng)能量，通過極小的工程投入，極大程度上提升了橋梁的可靠性和耐久性。

金屬阻尼器的設(shè)計(jì)[1-4]屬于直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)，即在一定程度的載荷下，阻尼器以預(yù)期的位移反應(yīng)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)整體構(gòu)造在地震作用下對(duì)阻尼性能的要求。在2003年，Lin等[5-8]提出了基于位移方法設(shè)計(jì)的消能減震結(jié)構(gòu)流程。周云等將直接基于位移的設(shè)計(jì)方法引入到基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，提出了基于隔震結(jié)構(gòu)基于位移設(shè)計(jì)的位移指標(biāo)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，給出了明確的設(shè)計(jì)位移反應(yīng)譜及設(shè)計(jì)步驟[9，10]。我國(guó)目前抗震設(shè)計(jì)仍采用以力為基礎(chǔ)的加速度反應(yīng)譜設(shè)計(jì)方法，探索相對(duì)可行的消能減震結(jié)構(gòu)及元件的設(shè)計(jì)方法，并以此為推廣和使用的理論基礎(chǔ)是我國(guó)目前亟待解決的問題。

本文應(yīng)用分類和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于參數(shù)模型模擬阻尼器在受力載荷下時(shí)應(yīng)力應(yīng)變情況，運(yùn)用ABAQUS對(duì)三款不同初始角度的金屬阻尼器單元進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，很好地完成了對(duì)于C型金屬阻尼單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并滿足相應(yīng)的消能減震要求。

2? ?仿真（Simulation）

2.1? ?材料附加

C形金屬阻尼單元采用Q345B鋼材制作，應(yīng)用有限元軟件ABAQUS模擬[11]C形阻尼器的靜力加載過程的位移大小，模擬時(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)初始角為15°、20°、25°的阻尼元件選用三維可變形的實(shí)體單元，試件材料采用已測(cè)標(biāo)定的Q345鋼材在循環(huán)荷載作用下的混合本構(gòu)模型關(guān)鍵材料參數(shù)（表1）。

鋼材的密度取7.85g/cm3，彈性模量取210Gpa，泊松比取0.3。材料屈服準(zhǔn)則采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，即在一定的變形條件下，當(dāng)受力物體內(nèi)一點(diǎn)的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí)，該點(diǎn)就開始進(jìn)入塑性狀態(tài)。

2.2? ?單元類型及網(wǎng)格劃分

在C型金屬阻尼器的實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，螺栓起連接耗能單元和支座的作用，將阻尼單元兩端孔分別固定在上下底板上。在模擬分析中可以對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1（a）所示，將兩螺栓孔用螺栓固定住。另外，螺栓孔也可忽略，用Tie約束來表示螺栓連接的作用。最終阻尼單元的簡(jiǎn)化幾何模型如圖1（b）所示，網(wǎng)格劃分采用實(shí)體單元二次六面體減縮積分單元C3D20R。

2.3? ?仿真過程

以15°初始角為例進(jìn)行仿真分析，拉伸過程分為彈性和塑形形變，彈性階段從100kN到175kN，每隔25kN仿真一次得到四個(gè)應(yīng)力應(yīng)變圖，而200kN到設(shè)計(jì)應(yīng)力250kN及以上包含了彈性形變與塑形形變，以每隔50kN仿真一次得到四個(gè)應(yīng)力應(yīng)變圖。

（1）彈性階段

100kN到175的應(yīng)變是等差值變化的，所以此階段為彈性變形階段。

（2）彈塑性過渡階段

200kN的值與100kN—175kN每小段變化值基本相同，在250kN時(shí)，紅色部分已經(jīng)基本涵蓋了整個(gè)表面，且應(yīng)變的變化幅度較前面大。

（3）塑性階段

300kN時(shí)，阻尼單元已經(jīng)趨于完美應(yīng)變狀態(tài)，350kN后紅色部分在中性層左右交叉，表明阻尼單元已經(jīng)破壞。

阻尼單元的工作狀態(tài)中不僅僅存在拉伸過程，也有壓縮過程，彈性階段應(yīng)力應(yīng)變基本一致，塑性階段仿真加載力從200kN到350kN，得到應(yīng)力應(yīng)變圖。

15°初始角阻尼單元仿真壓縮在200kN、250kN、300kN的時(shí)候的位移與拉伸時(shí)候的基本一致，誤差在10%以內(nèi)，而在350kN的時(shí)候，應(yīng)變位移為301.43mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拉伸時(shí)的234.61mm，基本判定為失效。在拉伸力為300kN時(shí)的應(yīng)力為459MPa，小于材料的極限強(qiáng)度490MPa≤抗拉強(qiáng)度≤620MPa，滿足材料強(qiáng)度要求，因此可以用拉伸100kN—300kN作為本次仿真的受力范圍。拉伸應(yīng)力應(yīng)變，如表2所示。

3? ?仿真分析（Simulation analysis）

將有效應(yīng)力與應(yīng)變位移以坐標(biāo)圖6的形式呈現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，三種不同初始角度設(shè)計(jì)出來的阻尼單元在拉力變大的情況下，應(yīng)變趨勢(shì)基本相同，差距比較小。

將圖6（d）轉(zhuǎn)變?yōu)閳D7應(yīng)變—載荷圖，可以明顯發(fā)現(xiàn)在200kN以前是應(yīng)力按比例隨著位移的增加而增加;200kN到250kN是彈性階段到塑性階段過度的階段，里面包含著部分彈性階段和部分塑形階段;250kN以后為全塑形階段，因此位移增加很大一段，應(yīng)力才小幅度增加。

在受到應(yīng)力相同情況下時(shí)候，位移按照初始角15°、20°、25°的設(shè)定下由大到小變化，這說明了在設(shè)計(jì)地震力要求一定時(shí)，15°初始角制成的金屬阻尼單元有更好的延伸性，而25°初始角制成的金屬阻尼單元的進(jìn)入耗能狀態(tài)最快，三者中最先達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

由于設(shè)計(jì)阻尼單元尺寸時(shí)候，三者的尺寸不一樣，15°、20°、30°初始角模型的兩螺栓點(diǎn)初始距離分別為1489.04mm、1402.43mm、1295.93mm，以應(yīng)變位移除以初始距離，可以得到單位比例位移下的應(yīng)變位移—應(yīng)力關(guān)系圖。

從圖8可以明顯發(fā)現(xiàn)，盡管三種阻尼單元的位移相對(duì)而言，15°的延伸性能最好，但在應(yīng)變位移與自身初始螺孔中心點(diǎn)距離百分比的情況下，三者差距不大，在應(yīng)力變大的情況下，25°的自身延伸性最好。

4? ?結(jié)論（Conclusion）

本文應(yīng)用有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)不同初始角度的三款金屬阻尼單元進(jìn)行了靜力加載模擬，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)變分析。通過有限元模擬得到的屈服載荷、屈服位移、變形情況，結(jié)果表明三款阻尼單元彈塑性過渡階段、塑性階段后的屈服剛度與初始剛度的比值分別在2.8和17左右，與工程應(yīng)用中的鋼材經(jīng)驗(yàn)計(jì)算比值3和20十分接近，因此符合實(shí)際狀況。仿真驗(yàn)證了三款阻尼單元最大滯回環(huán)面積比值與設(shè)計(jì)弧度比相等，從應(yīng)變與自身初始長(zhǎng)度的百分比可知25°的延伸性最好，15°與20°的相差較小。

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作者簡(jiǎn)介：

陶文兵（1995-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：精密測(cè)量與智能控制.

沈景鳳（1968-），女，博士，副教授.研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)與理論，CAD/CAE，虛擬設(shè)計(jì).

王正東（1994-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：精密測(cè)量與智能控制.

田? ?順（1994-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：精密測(cè)量與智能控制.