剪切型金属阻尼器的结构设计及力学特性分析-毕业设计论文

1、剪切型金属阻尼器的结构设计及力学特性分析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

2、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

3、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

4、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 InformationDesign General InformationWith the

5、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 ancient times. In recent years, the earthquakes happened more frequently around the world, which caused huge

6、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 structure to reduce earthquake losses now becomes the primary direction. With the continuous advance of science

7、 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, ductility. Today, the development of seismic energy dissipation device structure is more mature, people in

8、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 peoples lives in the shock absorber damper research and operational aspects, which have very advanced t

9、echnology, 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 order to ensure the stability of the structure. The problem with the material, structure and mechanical pro

10、perties 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 characteristics and more conducive to the damper. It is considered of the metal materials and metal materials

11、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 irregular shape and select an appropriate processing technology, operating rules, it placed in industrial

12、 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, through the comparison of different structures. Except for experimental data analysis, the article mainly embo

13、dies 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 conditions and load, etc. Modal simulation and analysis of simulation results were compared by analysis

14、 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 to analyse the different structure, and size of flange and web shearing metal damper hysteretic mechanica

15、l 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 drawn from the damping hysteretic factors and buckling characteristics of the relevant factors change, optim

16、ization, 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 capacity of buildings. And to change their energy, the structure and characteristics of the web and flange dim

17、ensions 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: metal damper; Ansys finite element analysis; seismic energy dissipation; buckling analysis. 目录目 录设计总说明IDESIGN GE

18、NERAL INFORMATIONII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 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.

19、 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153. 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23

20、4. 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. 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404545剪切型金属阻尼器的结构设计及力学特性分析第1章

21、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

22、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

23、. 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

24、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

25、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

26、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.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.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.

27、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.拉压型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.复合摩擦型SMA阻尼器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.续表名称原理分类特点摩擦阻尼器该阻尼器凭借产生的摩擦与阻尼以消耗地震中的能量. 节点阻尼器 在地震中，该阻尼器通过滑移增加结构的阻尼，滑移后，其刚度会减小到零，从而整体结构的刚度降低，躲开卓越周期，达到了降低结构地震反应的目的. 板式阻尼

28、器简式阻尼器复合型阻尼器.粘弹性阻尼器运用该阻尼器材料拥有的滞回减震特性，使结构产生额外刚度和阻尼，减小地震中反应. 拉压型阻尼器该材料在温度、频率和应变幅值的影响下变化较大. 剪切型阻尼器以上叙述中提到了各种耗能减震装置（阻尼器）的类型，每种都有各自的特点和不足，而剪切型金属阻尼器由于其不受环境与温度影响的性能，可以应用于建筑物的抗震加固与震损结构的补修. 因此本文将对剪切型金属阻尼器进行结构的设计和力学特性分析的研究. 1. 3 阻尼器的研究和应用状况阻尼器采用金属材料的原因是其塑性变形可以累积消耗输入地震中的能量，从而使结构的工作性能更加稳定、可靠，并有很好的耗能能力.发生地震和强风袭击

29、时，阻尼器通过发生塑性变形将输入结构中能量耗散，可以增加建筑物的阻尼和刚度，保证其完整性.阻尼器的经济实用性、使用便捷性等特点使其拥有十分刚阔的使用前景.对金属阻尼器最早的研究首先是由新西兰的Kelly等人在1972年进行的，而且早期都是针对软钢阻尼器进行大量的理论和试验.各国学者根据大量的试验结果与分析开发出了不同形式的软钢阻尼器，并且同年Yao J P T提出结构振动控制概念7.对于日本这个频发地震的国家来说，金属阻尼器在建筑物中的研究与应用就更为领先与全面.对于阻尼器的减震耗能功能的使用可以推算到很早，早期应用在航天、航空、枪炮、等行业中.到后来，才将其逐步地转用到建筑、桥梁等结构工程中

30、.1. 3. 1 阻尼器在桥梁方面的应用随着人们的不断研究与改进，阻尼器的应用早已不再局限于某一方面.阻尼器在桥梁方面的应用已经逐渐成熟并跨入了新的里程碑高度.阻尼器可以增加桥梁的阻尼比，减弱桥梁在地震大风中振动能量，减少梁端以及塔顶的位移，减小墩底由于地震产生的剪力，从而也就可以将整个桥梁的受力降低，大大加强桥梁的抗震抗风能力.如果设计人员想要预防原设计没有考虑到或考虑不周的受力问题，可以在设计时在合适的位置、不同的需要方向放置阻尼器.在国外桥梁结构上多应用粘滞阻尼器.安装了悬索阻尼器的Cochrane大桥的塔和悬索可以在震惊世界的2005年美国卡特里娜飓风中没有任何损坏，这足以说明阻尼器在

31、桥梁上使用可以避免悬索和桥塔在大风中的共振，从而保证其在自然灾害下的完整性8.这个事例也引起了桥梁设计院研究人员的注意，阻尼器对于桥梁的重要性毋庸置疑，自此在新建或检修大桥中加入阻尼器成为人们的研究方向之一.我国阻尼器在桥梁方面的应用也有很多.例如作为世界第一大斜拉桥的苏通长江大桥，是世界上第一个将特殊限位特大阻尼器（测试到10000KN）应用于桥上，并安装健康监测系统，以用来观察阻尼器工作情况8.但对于早期已经建好的大桥来说，在检测其稳定性增加相应的阻尼装置，防患于未然也是目前应该解决的问题.1999年我国第一、世界第二的江阴长江悬索大桥建成，但由于建成时间早，目前发现大桥伸缩缝处有明显的损

32、坏，密封橡皮被拉裂，有的地方发生滑块脱落，不锈钢被挤出的现象，更为严重的地方出现了8.1cm的缝隙，这一系列发现的问题无疑不是给桥梁的使用寿命以及人们的安全出行买下了隐患9.因此中交院通过动力分析决定采用世界上最大行程的大型阻尼器来对其性能及结构进行完善，以保证桥梁的安全运行.这也会成为我国第一个利用阻尼器来加强完善大桥.虽然我国已经将阻尼器加入到大桥的建设与改进中，但目前已经加入阻尼器的绝大部分斜拉和悬索桥梁虽未经历过地震的袭击，但目前在大风的影响下已有部分发生了损坏.这也表明我国阻尼器在桥梁方面的应用与美国、日本等先进国家仍有很大的差距，我们还需多多学习与研究.此外，对于新建桥梁的设计方面

33、要将阻尼器作为一个标准，以保证大桥的抗震能力，为以后的检修与使用提供了保障.1. 3. 2 阻尼器在航空方面的应用正如前文所说，其实阻尼器最早是使用于航空、航天方面已达到减震耗能的目的. 随着我国航天事业的飞速发展，大家都知道“神舟”宇宙飞船是由于火箭将逃逸部分与运载火箭分离而完成逃逸救生，从而返回到了地面. 若宇宙飞船在升空的过程中发生意外，则在周围都有金属网翼的飞船载人舱里，网翼就会自动展开而形成一个阻尼桶达到有效保护航天员的目的. 科研人员对已发射成功的神舟五号飞船上的8个阻尼器进行了计量、装配、液油、试验、称重、喷漆等程序的调试，不断努力保证了阻尼器的质量，而在完成发射后阻尼器也随之留

34、在了太空中. 目前应用于航天方面的多以比较成熟的被动式阻尼器技术，被动式阻尼器包含有黏滞阻尼器、涡流阻尼器、黏弹性阻尼器、机械摩擦阻尼器等. 在国际上，阻尼器在航天技术方面的使用已很为普遍、成熟，针对不同阻尼器的优缺点、力学特性等方面，我国应加强对此领域技术的研究. 1. 3. 3 阻尼器在房屋建筑方面的应用在如今的生活中，楼房的建设速度非常快速，楼房的高度也日渐增加，那么保证建筑物的质量、加强建筑物的抗震能力也成为目前急需解决的.日本作为一个多发地震的国家，房屋的抗震防护特性也比较先进，也成为发展无粘结支撑种类最多的国家.早在90年代，日本已经开始在四层的办公政府大楼中加入蜂窝状耗能器以用来

35、提高建筑的抗震加固，并且新建于大阪HAL计算机技术研究所楼也应用了蜂窝式阻尼器.K Nishimoto等人对日本NIPPON STEEL公司开发了单核心截面的无粘结支撑进行了性能试验研究10.在国内，研究人员和设计人员也将减震装置应用于建筑物大楼中并逐渐趋于成熟.自我国王光远院士从1980年提出高耸结构风振控制开始，软钢阻尼器的开发已成为越来越多的学者研究的方向.在中国台湾，TADAS和HADAS已经较多的应用于建筑大楼中，例如已成功建成的金华城休闲购物中心大楼，中华大学综合体育馆等.而在中国大陆，也已成功的将HADAS合适的安装在西安的长乐苑招商局广场以加固增加建筑物的抗震能力.除TADAS

36、和HADAS以外无粘结支撑在台湾的使用率也是相当高的，如台北县政府行政大楼，台湾省科技大学国际大楼和台大医院儿童医疗大楼等.在2010年上海成功举办的世博会中，标志性建筑物上海中心工程上批量应用了由同济大学研究的TJI型屈曲约束支撑.其实对于阻尼器的普遍应用于建筑物当中还有很多问题没有解决.例如对于剪力墙住宅结构，因为其布局不规则，墙肢偏薄，使用的空间也很受限制，所以如何合理的放置阻尼器，保证其有良好的使用性、耐久性还需设计人员深入地研究与解决.1. 4 本课题的主要研究内容经过本人查阅资料、文献以及国内外目前对金属阻尼器的研究现状，通过实验以及Ansys有限元分析，对剪切型金属阻尼器进行结构

37、优化和力学特性分析. 1、了解阻尼器的类型，金属阻尼器的原理及目前国内外对金属阻尼器的研究，对不同材料的金属阻尼器进行性能试验，以确定其应力应变的关系. 2、将实验所得数据作为基础，通过CAD及UG软件对实验夹具及已设计的金属阻尼器进行实体建模，一些简单的阻尼器结构可用ansys仿真软件以命令流形式准确建立实体模型. 3、运用ansys软件对已设计的阻尼器进行力学特性仿真分析，测试其力与位移变形，对结构中较为薄弱的部分进行优化，使其具有良好的耗能性能. 4、利用ansys仿真软件分析不同尺寸、材料的金属阻尼器所具有的力学特性，并将结果与实验所得参数进行对比，从而判断数据的准确性及可行性. 5、

38、分析利用ansys仿真软件进行分析时不同网格划分方法对金属阻尼器精度的影响. 6、选取优化结构进行实验，依据实验结果建立准确的数学模型，并降低分析结果与实验结果差，初步控制在20%以内. 剪切型金属阻尼器的结构设计及力学特性分析第2章 金属阻尼器的材料及选择由于在实际应用时所需要阻尼器的结构、参数不同，研究人员为了有针对性的解决不同问题，所以开发了不同金属材料的阻尼器. 而金属材料的不同对于阻尼器性能好坏的影响是至关重要的，因此为了更好的表明不同金属阻尼器所具有的性能，我们将通过对材料进行相应的拉伸与扭转实验来阐述. 2. 1 实验材料2. 1. 1 铝铝具有很好的导电性能、导热性能、高反射性

39、和耐氧化而被广泛使用，并且密度小也可以减轻物体的质量. 在生活中，小到我们的厨具、储存食物的装置等，大到船舶等用来运输的交通工具都由铝制成的. 本次实验所使用的铝制材料是3A21. 3A21为Al-Mn系合金，是目前生活中防锈铝应用最为广泛的一种. 该材料的强度仅稍高于工业纯铝,并且不能通过热处理进行强化,因此，为了提高材料的力学性能通常运用冷加工的方法. 将3A21进行退火处理，则该状态下其具有较高塑性,但若进行冷作硬化处理，材料的塑性会降低. 该材料还具有优越的耐腐蚀性能和焊接性能,但不具有良好的切削性能. 3A21通常用于工作在气液介质中，承受较低载荷，材料需具有高可塑性和好焊接性要求的

40、零件中. 2. 1. 2 铜人们对铜的使用是在很久以前，古代还把其作为金钱进行贸易交换. 经历了不断改进与尝试，如今铜业成为与人们关系很为密切的有色金属，在国内有色金属的使用消费仅次于铝.铜的密度大于铝的密度且硬度、强度都高于铝.无论在制造工业中的配件、仪表，还是在化学工业中的真空器材，都能找到铜的身影. 本次实验所使用的铜质材料是H62,这种普通黄铜材料中铜的含量为60. 5%-63. 5%. 其力学性能优越，热塑性和冷塑性都比较好，有良好的切削性和焊接性，并且价格比较便宜. 但H62容易被腐蚀破坏，因此其在使用时应做好防锈工作. 2. 1. 3 软钢软钢又称低碳钢，因为其强度低、硬度低，故

41、称之为“软”，具有良好的塑性、韧性和焊接性，易加工成型. 本次实验所使用的软钢材料是LYS100，它是一种高性能软钢，被广泛的应用于工业生产中. 当材料受力进入塑性阶段后会具有很好的滞回特性、较高的柔性及其延展性，并且性能不太会受环境和温度的影响，其周期疲劳性能、稳定性、可靠性能都很好. 2. 2 实验过程 2. 2. 1 拉伸实验 零件在生产实践应用中最常见的就是拉伸或压缩现象. 我们分别用铝合金、黄铜以及软钢进行拉伸实验，得到材料的应力应变关系，进行比较. 1、实验设备：电子拉伸实验机（如图2-1），计算机，游标卡尺，刻度尺. 2、实验过程：将实验试件稳固地安装在实验机的上下夹头中，在电脑

42、上进行实验参数与速度的设定，加载后，观察零件由于受力变形直至被完全破坏的过程. 由于实验式样存在一些加工误差和工艺缺陷，因此试样的外径大约为10mm左右，并且部分试样两端倒角处加工有些粗糙，存在少量的凹痕（如图2-2）. 图2-1 电子拉伸实验机 图2-2 实验过程3、实验应用原理：实验数据分析、处理所需要的原理公式有：(1)屈服极限计算式（2-1） （2-1）(2)强度极限计算式（2-2） （2-2）式中：为屈服极限；为强度极限；为屈服力； 为最大拉力；A为样件横截面积. (3)延伸率（2-3） （2-3）(4)截面收缩率(2-4) （2-4）式中：为试件拉断后，颈缩处最小截面积；为试件原始

43、截面积；为试件拉断后标距长度；为试件原始标距长度. 实验后试样变化如图2-3和图2-4. 图2-3 拉伸试验结束后样件形状图2-4 拉伸实验样件截面图2. 2. 2 扭转实验同样的，我们也分别用同样尺寸的铝合金、黄铜以及软钢进行了扭转实验. 1、实验设备：电子扭转实验机（如图2-5），计算机，游标卡尺，刻度尺，粉笔. T图2-5 电子扭转实验机2、实验过程：将实验试件安装在扭转实验机的夹头内并固定好，并在试件上用粉笔画上一条直线，以便观察时间的扭转程度. 调整好实验参数，观察试件逐渐被扭转直至被破坏的过程. 3、实验应用原理：实验数据分析、处理所需要的原理公式：屈服极限计算式（2-5） （2-

44、5）式中：为剪切屈服极限；为扭矩；为抗扭截面系数；为直径. 强度极限计算式（2-6） （2-6）式中：为剪切强度极限；为最大扭矩；为抗扭截面系数. 实验后试样变化如图2-6和图2-7. 图2-6 材料扭转实验结束后样件形状图2-7 扭转实验样件截面图2. 3 材料力学性能2. 3. 1 拉伸特性拉伸实验后对三种材料所得数据进行了提取，并导入excel表格中进行计算、分析，得出曲线如图2-8所示. 图2-8 拉伸实验应力应变曲线图通过拉伸实验结果曲线可以看出，三种材料在开始阶段都处于弹性变形范围内. 而当到达弹性极限后，材料进入了屈服阶段. 三种材料都经历了一个屈服阶段，而屈服阶段材料的塑性都比

45、较小，其中H62的屈服阶段不是很明显. 我们称屈服阶段最低点所对应的应力为屈服强度，从图中可以看出，3A21材料的屈服强度较大. 经过屈服阶段后曲线还会继续上升，从而达到应力的最大值，即极限强度，对比后，三种材料中3A21材料的极限强度最大. 到达极限强度后，试件会由于拉力产生缩颈现象，出现局部收缩. 一旦缩颈现象出现后，可以看出，试件的应力应变曲线会出现下降趋势，这说明继续变形所需要的拉力将会减小，直到试件断裂. 如图所示，三种材料中只有LYS100的伸长率超过了50%，其余两种材料的伸长率才不过10%左右，而判断材料断裂前所能产生的塑性变形的能力的重要指标是伸长率，因此，LYS100材料在

46、三种材料中拥有更好的塑性，能承受较大的冲击荷载，更适合作为阻尼器材料. 2. 3. 2 扭转特性同样的分析方法，扭转实验后对三种材料所得数据进行了提取，并导入excel表格中进行计算、分析，得出曲线如图2-9所示. 图2-8 扭转实验扭转角扭矩曲线图将实验所得数据进行曲线绘制，通过比较可以看出，三种材料的抗切强度各有不同. 当材料承受相同扭矩时，LYS100的扭转角要高于其余两种材料；而当具有相同扭转角时，LYS100所承受的扭矩比其他两种材料都小. 并且LYS100所能承受的扭转角度数要明显高于其他两种. 因此，实验数据表明，LYS100这种材料具有更好的塑性变形能力，比其余两种更适合作为阻

47、尼器的材料. 经过对试件材料分别进行拉伸和扭转试验所得数据综合分析，可以得出结论：LYS100相比其余两种材料来说，具有良好的拉伸和扭转性能，塑性变形能力也非常优越，因此更适合做为金属剪切受力的吸能材料. 剪切型金属阻尼器的结构设计及力学特性分析第3章 剪切型金属阻尼器的结构设计在受到外来载荷的作用时，结构会因载荷的增加而发生变化甚至最后被破坏. 因此符合结构要求的、并且经济化的设计成为人们所期望的. 3. 1 剪切型金属阻尼器的基本理论3. 1. 1 剪切型金属阻尼器的简介剪切型金属阻尼器结构一般包含中间的腹板以及两侧（或上下）的翼缘（如图3-1），由于其有较高的强度、刚度和优越的耗能能力，

48、并且滞回曲线形状饱满，因此性能非常稳定1314. 主要的耗能原理是金属阻尼器的水平方向在受到较大载荷时，其结构层会产生很大的变形. 而剪切型金属阻尼器能够消耗输入结构中的能量，也正是因为其中间的腹板发生剪切的塑性变形，而两侧的翼缘会发生弯曲的塑性变形. 在实际应用中，通常在变形较大的位置上，通过V型的钢支撑来放置剪切型金属阻尼器，如图3-2. 而在整体布置上以各层都均匀为最优，隔层布置为其次，当然如果建筑物结构稳定度较高也可以只在薄弱层放置，但后两种的布置方式需要设计人员考虑相邻层的层间位移放大现象，因为这样的放置会把个别层层间的侧向刚度增大. 除此之外，也要通过计算来确定使用阻尼器的规格、应

49、用数量、以及分布已达到提高建筑结构整体的抗震耗能能力、安全、经济、实用的目的. 在设计建筑物结构时能够形成合理、均匀的受力体系，相对较好的设计方案是使建筑物的不规则性减少1112. 图3-1 剪切型金属阻尼器的结构图 图3-2 阻尼器在结构中的放置3. 1. 2 剪切型金属阻尼器的原理由在结构中阻尼器放置图所示，通过串联比例来分配阻尼器与V型支撑的侧向刚度，则耗能装置的总侧向刚度为： （3-1）式中：为V型支撑；为阻尼器的侧向刚度. 而通常在确认阻尼器的结构设计参数中，先求出再根据支撑情况进行确定. 剪切型金属阻尼器的平面内侧向刚度分别由腹板和两侧翼缘提供，但在理论分析时，忽略影响较小两侧翼缘

50、. 因此剪切型金属阻尼器的平面内侧向刚度的理论计算值为： （3-2）式中：为材料的剪切弹性模量；为阻尼器腹板的厚度. 运用Von Mises屈服准则来分析金属材料. 假设剪切应力为时，在纯剪切状态下，主应力，根据von Mises屈服条件，得： （3-3）因此得： （3-4）综上所述，剪切型金属阻尼器平面内剪切屈服力为： （3-5）式中：为腹板的宽度；为材料的抗拉屈服强度. 由此得出剪切型金属阻尼器的屈服位移为： （3-6）腹板的弹性剪切屈曲临界剪应力为13： （3-7）式中：为腹板的高度；为杨氏弹性模量；为泊松比为四边简支板的弹性屈曲系数. 我们做实验时采用的是低屈服点钢（LYS100），因

51、为其具有良好的延性，是比较理想的耗能材料. 用LYS100材料研发的高性能剪切型金属阻尼器在实际应用中，可以确保有同样的初始刚度，即使在小变形下也可以使其进入屈服阶段，这样的性能保证了其在小震和中震中的灵敏度. 阻尼器都可以消耗输入结构中的能量，从而使建筑结构具有更好的强度. 3. 2 剪切型金属阻尼器的结构设计在如今追求轻量化的设计氛围里，根据剪切型金属阻尼器的不同应用环境及参数要求，我们将会对阻尼器的尺寸、形状进行相应的调整. 我们设计的考虑因素也不单单只是为了保证其稳定性，也要相应的结合其经济性、耐用性、美观性等多方面角度. 本文对金属阻尼器的结构设计采用控制变量的原理，利用Ansys有

52、限元分析软件，以相同尺寸、不同形状的阻尼器在底端固定，顶端产生同样水平位移时，结构所产生的最大水平应力及最大水平剪应力最对比，以优化阻尼器的结构. 3. 2. 1 直板式设计对于直板式设计，我先以分析长方体单元为基础，然后对同样尺寸的阻尼器进行分析（如图3-3），提取其在同样位移下所产生的应力与剪应力的数值，以此对比设计优化后的结构. (a) 平板式 (b)左右凹板式 (c)四周凹板式图3-3 直板式阻尼器根据图3-3所示的三维图可直观看出，直板式结构设计在腹板与翼缘之间采用了不同程度的圆角,这样的设计可以减小应力集中. 对于设计的结构运用Ansys有限元进行简单的分析，即相同的材料(弹性模量

53、为20GPa,泊松比为0. 28）、单元结构、网格划分，将其底端固定，并将顶端的Y方向与Z方向位移固定，只在X方向单项施加40mm的位移，使其进入塑性变形. 通过查看分析后的云图，可以更加具体、明确的看到不同结构阻尼器的受力大小及其分布情况，从而比较出更为优良的耗能结构. 此处需要指明的是有限元分析所采用的云图为Stress intensity(应力强度）及von Mises stress（等效应力）两种方式，因为前者符合第三强度理论，即引起材料屈服的主要因素是最大切应力，而后者符合第四强度理论，即畸变能理论. 以下为有限元分析结果，应力强度如图3-4所示，等效应力如图3-5所示，所产生的相应

54、数值如表3-1，数值比较图如图3-6. (a) 平板式 (b)左右凹板式 (c)四周凹板式图3-4 应力强度分析图 (a) 平板式 (b)左右凹板式 (c)四周凹板式图3-5 等效应力分析图 表3-1 直板式阻尼器有限元分析数值零件编号尺寸/mm应力强度/MPa（最大值）等效应力/MPa（最大值）长宽高1(平板式）180282005470005210002（左右凹板式）18028200443040203（四周凹板式）1802820047004070图3-6 直板式应力分析图运用Ansys对图3-3的三种结构进行仿真分析，通过所得数值与有限元的云图可知，当施加相同位移载荷时，三种结构的应力强度和等效应力的大小及分布都存在差别. 相对来说，长方体的应力分布比其余两个结构要集中