1、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 0401110343 学生姓名 于 静 指导教师 张超锋 副教授 二一五年六月设计总说明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
2、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
3、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
4、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
5、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Design General InformationIDesign General InformationWith the survival and development of human, earthquake, storm and other natural disasters are inevitable, and they are serious threats to human life. So people resist earthquake and wind damage since ancie
6、nt times. In recent years, the earthquakes happened more frequently around the world, which caused huge damage to peoples lives and property. The fact is that the main reason for losses is the building collapsed in the earthquake, and therefore to improve the seismic capacity of the building structu
7、re to reduce earthquake losses now becomes the primary direction. With the continuous advance of science and technology, seismic wind technology is gradually improving. Adding damping energy consuming device in the building plays a vital role in making the building structure strength, stiffness, duc
8、tility. Today, the development of seismic energy dissipation device structure is more mature, people in shock reaction by adjusting or changing the way the structure and dynamic parameters has reached further improve in the integrity of the building in natural disasters and effective protection from
9、 peoples lives in the shock absorber damper research and operational aspects, which have very advanced technology, aerospace, bridges, houses, etc. and have made a successful application. But today China is also gradually strengthen Damper and development, which will be apply to various areas in ord
10、er to ensure the stability of the structure. The problem with the material, structure and mechanical properties of the damper to explain its role in building the energy damping by tension and torsion test data comparison of different metal materials, which results in better energy consumption charac
11、teristics and more conducive to the damper. It is considered of the metal materials and metal materials damper of several different structural design, structural design, the main shear damper metal object. I would consider to design a symmetrical structure, in order to reduce the complexity of the i
12、rregular shape and select an appropriate processing technology, operating rules, it placed in industrial production and buildings more easily, and reduced scrap rates and manufacturing costs. Finally, hysteresis performance will be analyzed and research the behavior for shearing metal damper, throug
13、h the comparison of different structures. Except for experimental data analysis, the article mainly embodies the use of Ansys finite element software through the establishment of three-dimensional geometric model for pre-treatment, including mesh, mesh optimization, add material properties, boundary
14、 conditions and load, etc. Modal simulation and analysis of simulation results were compared by analysis of the different structure of the damper,and see whether its energy characteristics is good, and make the appropriate optimization improvements from the structure. In addition, I also use Ansys t
15、o analyse the different structure, and size of flange and web shearing metal damper hysteretic mechanical properties and buckling properties of both analysis results obtained by the simulation and the stress-strain hysteresis curves under load contours corresponding comparative study. It can be draw
16、n from the damping hysteretic factors and buckling characteristics of the relevant factors change, optimization, which can optimize the damper structure. The research may show that the shear-type metal damper has a good energy damping function to meet the requirements of improving the seismic capaci
17、ty of buildings. And to AbstractIIchange their energy, the structure and characteristics of the web and flange dimensions damper. It is quite obvious, therefore, in practical industrial construction applications. Many factors should be considered in order to use the most appropriate damper. Keywords
18、: metal damper; Ansys finite element analysis; seismic energy dissipation; buckling analysis. 目录目 录设计总说明 .IDESIGN GENERAL INFORMATION.II目 录 .I第 1 章 绪论 .11. 1 课题研究背景及意义 .11. 1. 1 地震概况分析 .11. 1. 2 合理抗震途径 .11. 1. 3 耗能减震的意义 .11. 2 耗能减震装置 .21. 2. 1 耗能减震技术 .21. 2. 2 耗能减震装置的类型 .21. 3 阻尼器的研究和应用状况 .31. 3. 1
19、阻尼器在桥梁方面的应用 .31. 3. 2 阻尼器在航空方面的应用 .41. 3. 3 阻尼器在房屋建筑方面的应用 .41. 4 本课题的主要研究内容 .5第 2 章 金属阻尼器的材料及选择 .72. 1 实验材料 .72. 1. 1 铝 .72. 1. 2 铜 .72. 1. 3 软钢 .72. 2 实验过程 .82. 2. 1 拉伸实验 .82. 2. 2 扭转实验 .92. 3 材料力学性能 .102. 3. 1 拉伸特性 .102. 3. 2 扭转特性 .11第 3 章 剪切型金属阻尼器的结构设计 .133. 1 剪切型金属阻尼器的基本理论 .133. 1. 1 剪切型金属阻尼器的简介
20、 .133. 1. 2 剪切型金属阻尼器的原理 .143. 2 剪切型金属阻尼器的结构设计 .15目录i3. 2. 1 直板式设计 .153. 2. 2 圆弧式设计 .173. 2. 3 加入左右翼缘设计 .19第 4 章 运用 ANSYS 有限元进行力学分析 .234. 1 ANSYS 有限元及仿真流程 .234. 1. 1 Ansys 有限元方法 .234. 1. 2 Ansys 有限元仿真基本流程 .234. 2 ANSYS 进行阻尼器仿真 .244. 2. 1 阻尼器模型的单元 .244. 2. 2 阻尼器模型的材料属性 .244. 3 ANSYS 模拟阻尼器的滞回性能 .254. 3
21、. 1 Ansys 有限元过程 .254. 3. 2 Ansys 有限元结果 .264. 3. 3 结果分析 .294. 4 ANSYS 模拟阻尼器的屈曲性能 .304. 4. 1 Ansys 有限元过程 .304. 4. 2 Ansys 有限元结果 .304. 4. 3 结果分析 .34第 5 章 结论与展望 .355. 1 结论 .355. 2 不足与展望 .35参考文献 .37致 谢 .39附录 A： ANSYS 有限元分析的命令流 .40江南大学学士学位论文0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
22、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
23、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
24、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
25、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剪切型金属阻尼器的结构设计及力学特性分析1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
26、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
27、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.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. 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.拉压型 SMA 阻尼器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. 复合摩擦型 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.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.
