结构减震|粘滞阻尼器CFD仿真分析

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传统建筑一般是通过损伤构件（梁或柱产生塑性铰）来吸收地震或者风产生的能量。为了降低地震对结构产生损伤，最开始人们是想通过加大结构构件的截面面积或增加构件的配筋等方式来提高结构的刚度。虽然这种方法一定程度上提高结构的刚度，但同时会放大地震对结构的作用，加剧结构的损伤破坏。为了改善传统抗震方法的不足，人们提出了一种新的抗震技术—消能减震技术。它通过在结构的适当位置安装消能减振装置，利用这些装置的耗能来减少结构在强震下的振动反应。黏滞阻尼器是较为常用的消能减震装置，其可以给主体结构提供附加阻尼而不改变主体结构的刚度，有效消耗主体结构的振动能量，减小结构的振动反应，被广泛应用于新建建筑和加固建筑。

随着计算机流体力学和有限元方法技术的进步，一些复杂的机械结构能够通过有限元仿真模拟研究，有效提高开发精度、指导产品设计和缩短产品的开发周期，这对节约研究成本，保证产品质量提供了极大的保证。工程应用上，通过对黏滞阻尼器缸筒内部流场的研究，掌握活塞运动过程中其内部压力分布规律、流体质点流动规律，不仅可以了解黏滞阻尼器内部的动态响应特性，更好的控制黏滞阻尼器的运行，还可以为黏滞阻尼器的密封、缓冲等结构设计提供有实用价值的参考和理论指导。

经过三十多年的发展,黏滞阻尼器大概可以分为三个阶段, 第一代采用高浓度的硅油或胶泥作为黏滞填充材料，第二代采用各种阀门或安置油库来控制阻尼参数，第三代采用小孔射流技术。

本文针对第三代阻尼器，简化2D 模型做CFD分析。

•硅油

–ρ:密度(kg/m3)=960 (kg/m3)

–稠度系数为2600 𝑃𝑎⋅ -0.725，流变指数为 -0.725。

–最大动力黏度(N-S/m2)=290 (N-S/m2)

–最小动力黏度(N-S/m2)=1(N-S/m2)

•Wall

–黏滞阻尼器仿真计算实质是对缸筒内硅油在活塞带动下流场参数变化的模拟，因此建模时只需要对流场建模，同时假设缸筒和活塞为刚体，不发生变形。

–缸筒和活塞因而与硅油接触的边界均指定为壁面 wall，即为无滑移光滑壁面，硅油设置为interior。

•WallMotion

–本文采用正弦激励法，通过输入按照正弦波规律变化的位移来控制活塞运动。即：

–𝑢= 𝑢0𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡)

–其中𝑢0为输入位移幅值（mm）；𝜔为加载频率（Hz）；𝑡为时间（s）。

*设置里需开启网格变形功能

NFX里设定压力亚松弛因子为0.1

所有变量的默认亚松驰因子（UnderRelaxation Factors）都是对大多数问题的最优值。因为黏滞阻尼器在较高速度下会产生较大压力差，产生的压力波动也较大，因此可以把压力亚松弛因子的值取小一点，这里设定压力亚松弛因子为0.1。

结果查看（NFX CFD直接输出阻尼力）

黏滞阻尼器在工程中得到广泛的应用，并以其优良的减震效果得到了人们的认可，但同时在应用过程中存在一些问题与不足，主要表现在以下几个方面：（1）对黏滞阻尼器内部流场、压强分布研究的较少；没有系统研究各设计参数对黏滞阻尼器性能的影响。

（2）国内一些高校由于试验设备条件以及经费原因，所设计的阻尼器大都是缩尺模型，其根据缩尺模型推导出来的力学模型局限性大，有可能只适用于其设计出来的阻尼器，对实际的阻尼器设计意义不大；

（3）热衷侧重于研究活塞头的构造形式，对阻尼器性能的可靠性和稳定性研究较少，如阻尼器的温度性能，疲劳性能、耐压性能等；
（4）阻尼器功率问题。针对抗风用黏滞阻尼器，为了防止阻尼器在长时间连续工作下由于发热带来的损害，需要对阻尼器的耗散功率进行严格控制，甚至需要进行专门的散热设计，但规范上对于怎么测试没有给出相应的说明。
由于上述问题存在，极大的阻碍了阻尼产品在工程实践中的广泛使用，形成了阻碍该产品进一步发展的瓶颈，因此开发出一系列经济性好、可靠性高、安全稳定的黏滞阻尼器产品既是科学研究的动力，也是市场需求的导向。

来源：midas机械部落

振动疲劳建筑 NFX 理论材料热设计控制试验

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首次发布时间：2022-11-25