粘滞流体阻尼器冲击缓冲特性研究_孙靖雅

基金项目： 国家自然科学基金（ 10872132 ） 收稿日期： 2012 － 01 － 30 修改稿收到日期： 2012 － 08 － 09 1985 年 3 月生 第一作者 孙靖雅 男， 博士生，
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以削弱冲击瞬间不稳定 粘滞阻尼器中加入高弹小球， 流动产生的阻尼力峰值。靳争团等
其中： τ rr ， τ zz ， τ rz 为偏应力分量，p 为流场压力，ρ 为流 体密度。 由于阻尼器中的高粘度硅油具有剪切稀化特性， 硅油的粘度随剪切速率变化显著， 因此采用广义牛顿 流体的本构方程来描述其力学特性。 本构方程的表达 式如下：
· τ rr = 2 η（ γ）
τ zz
u r w = 2 η（ · γ） z
Abstract：
To obtain shock absorption characteristics of a viscous fluid damper，a nonNewtonian fluid damper was
designed and made，and then shock tests were performed for it under various height conditions． To analyze the damping force mechanism from the aspect of fluid dynamics， a modified power law function model was used to describe the viscosity of silicone oil， and the parameters of the model was determined with the measured viscosity data under various shear rates． CFD software FLUENT was adopted and combined with the dynamic meshing technology to obtain the characteristics of damping force under shock conditions． By comparing the results of tests and those of simulations，it was indicated that both the results approximately match each other and they can be used to guide damper designs． Key words： damper； shock absorption； FLUENT； power law ； numerical simulation 阻尼器是缓和冲击的必备装置， 桥梁抗震、 火炮缓 ， 冲等诸多场合均需要阻尼器吸收冲击能量 使受到冲 击的设备免遭破坏。粘滞流体阻尼器采用具有剪切稀 化效应的硅油作为介质， 具有良好的吸能效果， 被广泛 对该类型阻尼器的研究， 应用于工业工程之中。 然而， 目前主要集中在简谐激励作用下的阻尼力输出特性的 对冲击载荷激励下的阻尼力输出力特性 分析和研究， 的研究甚少。欧进萍等 采用平板流理论推导了阻 尼力公式， 并用公式对实验数据进行了 拟 合， 效果良 好， 但考 虑 到 活 塞 间 隙 处 的 流 体 流 动 形 式 属 Couette ［5 ］ 流， 该公式的适用性尚待研究。 王赣城等 从实验角 度对含颗粒的粘滞阻尼器进行了不同高度下的冲击实 验研究及数学模型的参数识别， 分析了颗粒对粘滞阻 尼器性能的影响。胥永刚 对粘滞阻尼器进行大量实 验， 拟合出与阻尼器结构相关的阻尼力公式， 同时还在
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流体控制方程
以轴心作为 Z 坐标轴， 建立圆柱坐标系， 如图 2 所 示。设流体不可压缩， 由于 其速度场 流体区域轴对称， 可假设为： v r = u（ r， z， t） ， v z = w（ r， z， t） ，v θ = 0 连续性方程 1 （ ru） w + = 0 r r z 动量守恒： ρ ρ du p τ rr τ rz τ rr =－ + + + dt r r r z （ 2） （ 3） （ 1）
· － 0 ． 547 1 （ 7） η（ γ） = 3 048 （ · γ + 27 ． 14 ） ［9 － 11 ］ 上式整理后与 Carreau 模型 相似。 实验值及
图1
粘滞型流体阻尼器工作原理及结构
拟合后的剪切速率 － 粘度曲线如图 3 所示， 同时还给 出了采用幂律模型的拟合曲线。 幂律模型的粘度函数 如下：
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研究了电流变阻
尼器在大冲击下的抗冲击性能， 并分析了电流变液性 能与阻尼器结构参数对抗冲击性能的 影 响。 胡 红 生 等
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研究了磁流变阻尼器在火炮反后坐装置中的应
用， 对阻尼器进行了冲击实验并从控制的角度进行了 冲击仿真。 以上研究主要集中在对实验所测得的阻尼力进行 未能从流体力学的角度对粘滞阻尼器的阻 分析研究， 尼力特性给出合理解释。 本文将采用计算流体力学的 数值仿真方法对粘滞流体阻尼器在冲击载荷作用下的 动力学行为进行动态仿真， 以揭示冲击载荷作用下粘 对粘 滞流体阻尼器的阻尼力特性。 为验证仿真结果， 滞阻尼器实物进行冲击缓冲性能测试， 结果显示数值 仿真结果与实验所测得结果基本吻合， 能够较好的描 述该类阻尼器的阻尼力特性。
（ 4） （ 5）
u w · （ 6） τ rz = η（ γ） + z r · 其中： η（ γ ） 为粘度函数， 用来描述硅油的粘度随剪切
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振 动 与 冲 击
2013 年第 32 卷
m、 0． 8 m、 1 m 的冲击实验。 实验结果如图 7 ～ 9 中实 线所示。 图 7 中 的 实 验 获 得 的 阻 尼 力 由 如 下 公 式 得到： fe = Mh ae （ 7） 其中： f e 为冲击锤所受阻尼力； M h 为冲击锤的质量； a e 为冲击锤所承受的加速度。
流体的连续性方程和动量方程分别如下 ：
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落锤冲击实验
用落锤式冲击实验台
τ zz dw 1 （ rτ rz ） p =－ + + dt r z r z
对粘滞阻尼器进行冲击缓 冲实验。实验装置的示意 图 如 图 4 所 示。 实 验 时， 将阻尼器安装在冲击台的 基座上， 把冲击锤提升到 合适的高度后让其沿着钢 丝绳导轨 自 由 滑 下， 撞击 粘滞阻尼器的活塞杆。在 冲击锤上安装有 B＆K4384 型加速度计， 传感器信号 图 4 冲击实验示意图 经电荷放大器放大后， 输 Fig． 4 Schematic for the shock test 入 LMS 数 据 采 集 系 统 进 当碰撞开始瞬间， 计算机开始记录冲击加 行数据采集， 速度型号并采集完整的冲击过程 。 0． 4 m、 0． 6 对阻尼器分别进行跌落高度为 0． 2 m、
· η（ γ） = 1 042 ． 4 · γ － 0 ． 361 2
Fig． 1 Schematic and working principle of the damper
当外力推动活塞杆向右运动时， 阻尼器右侧活塞 腔中的液压介质通过环形间隙流入左侧的活塞腔中， 介质在流动的过程中消耗掉外部输入的能量。 实验所 用阻尼器的主要参数如下： 缸筒内径 34 mm， 活塞直径 20 mm， 活塞长度 20 mm， 活塞杆直径 8 mm， 活塞行程 为 ± 55 mm。粘滞阻尼器采用 50 万厘斯的高粘度硅油 作为液压介质。
表1 仿真中活塞的初始速度（ m / s）
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数值仿真
基于前文中给出的流体控制方程， 根据流体的初 ， 边值条件 采用数值仿真方法对阻尼内的流场进行仿 真分析。在计算流体力学软件 FLUENT 中进行层流模 式下的非牛顿流体的数值仿真， 连续性方程和动量方 程为已经包含在计算中的通用方程， 采用用户自定义 子程序（ UDF） 将粘度函数 （ 7 ） 嵌入软件中即可实现式 （ 4 ） ～ 式（ 6 ） 的广义牛顿流体的本构方程。 根据内流场具有轴对称的特性， 将流体域简化为 二维轴对称问题进行计算。 划分网格后的二维模型如 图 5 所示， 图 6 为网格划分细节图。
振 第 32 卷第 14 期
动
与
冲
击 Vol． 32 No． 14 2013
JOUＲNAL OF VIBＲATION AND SHOCK

粘滞流体阻尼器冲击缓冲特性研究
1 孙靖雅，焦素娟 ，张 2 1 磊 ，华宏星
硅油为非牛顿流体， 计算时采用改进幂律模型来 描述其粘度特性， 并编写相应 UDF 程序实现自定义粘 度。冲击载荷作用下阻尼器内所产生的压力远小于硅 油体积弹性模量， 故忽略硅油可压缩性的影响， 认为其 不可压缩。由于硅油为 50 万厘斯的高粘度硅油， 将阻 尼器内流场近似为层流来计算。 在冲击的过程中认为阻尼器的缸筒被固定， 活塞 杆与冲击锤共同运动， 即缸筒的速度为零， 活塞杆的速 度为 V0 。仿真开始后， 根据上一时间步所得阻尼力和 时间步长确定下一步活塞杆的速度 。 V N = V N －1 － F N －1 Δt / M h 其中： V N 为当前时间步活塞速度； V N － 1 为前一时间步 活塞速度； F N － 1 为上一时间步计算所得阻尼力； Δt 为 仿真所采用 时间步长。为达到更为精确的仿真结果， 的初始速度为根据实验测算数据所得速度 ， 见表 1 。
（ 1． 上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室， 上海 200240 ； 2． 海军装备研究院舰船所， 北京 100037 ）
摘
要： 为获得粘滞流体阻尼器冲击缓冲特性， 设计并制作一种非牛顿流体粘滞阻尼器样机， 而后对其进行了不
同高度下的冲击缓冲实验 。为从流体力学角度分析阻尼力机理， 建立改进幂律模型来描述硅油的粘度特性， 并通过对实 验数据的拟合获得其中待定参数 。采用 FLUENT 软件并结合动网格技术， 对阻尼器流场仿真后获得冲击载荷作用下阻尼 力输出特性， 将之与实验结果相对比， 发现结果基本一致， 可用于指导阻尼器初步设计 。 关键词： 阻尼器； 冲击缓冲； FLUENT； 幂律流体； 数值仿真 中图分类号： TB535 + 1 文献标识码： A