粘滞性阻尼器的设计方法研究

　　引 言

　　粘性流体阻尼器是一种对速度反应比较灵敏的设备,能够吸收、衰减振动和冲击的能量,从而减小结构的动力反应,减弱节点的局部受力,达到保护受力设备的目的。因此,它是军事工程、机械工程和空间结构中很有应用前途的阻尼减振器件之一。

　　粘性流体阻尼器目前使用比较多的阻尼材料是液压油(比如ENDINE公司和ACE公司的产品[1,2])。但是由于液压油温度升高时,其粘度显著下降,所 以对于高冲击速度,大冲击行程的阻尼器,为了克服工作过程中由于温度升高导致的阻尼材料粘度下降的缺点,选用粘温系数小、性能优异的硅油作为阻尼材料,是 目前粘性流体阻尼器研究的一个重要方向[3~5]。

　　本文推导了一种结构形式的粘性硅油阻尼器阻尼力的理论公式。选择了几种不同活塞尺寸进行试验,确定了阻尼力表达式中的参数。根据该公式设计了满足指标要求的样机,并进行试验验证。

　　1 阻尼力公式的推导

　　本文研究的粘性流体阻尼器的工作行程是50mm,可承受的最大冲击速度是5 m/s,最大阻尼力是2 kN,活塞运动频率较低。阻尼材料选用性能稳定的硅油。结构形式选择双出杆式,活塞与缸壁之间留有间隙(见图1)。其工作原理是当阻尼器受到外界冲击时, 缸体与活塞产生相对运动,活塞一侧的容积变小,迫使粘性阻尼材料经过缸体与活塞之间的间隙流向体积增大的一侧。阻尼材料的剪切流动产生阻尼力来耗散冲击能 量,从而达到缓冲的目的。

　　为了分析硅油流体对活塞的阻尼力,从阻尼器缸体与活塞之间的流体取出一个微小长方体单元。一个面取至缸体内径,另一个面取至活塞的表面。由于两个面较小可 以将其近似看作平行面,并且两者之间的距离为h(见图2)。则该微单元体的流动情况可以假设为两平行板之间的流动,其中一板静止不动,另一板突然以速度U 运动。

　　对于所考虑的问题,速度可以写成以下表达式

　　式中 u为x方向的速度,i为x方向的单位矢量。不计体积力的动量方程为

　　式中 ρ为硅油的密度,τ为应力。速度的连续方程为

　　硅油的本构方程为[5]

　　式中 λ为硅油的松弛时间,μ为动力粘性系数。从式(2)和(4)中删除τyx向量得到

　　式中 υ为硅油的运动粘性系数。

　　为了简化计算引入以下无量纲变量

　　式中 U=vn为活塞边缘流体的启动速度;v为活塞与阻尼器缸体之间的相对运动速度;n为速度相关指数。则无量纲速度控制方程为