CN113756458A - 一种压电粘滞阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电粘滞阻尼器，将旁通管路由通用的圆管改成扁管，使扁管起到圆管阻尼器中阻尼孔的作用，是一种与活塞运动速度相关的阻尼器，是目前世界上响应速度最快的半主动阻尼器。可以控制系统控制压电驱动器产生机械应变而输出位移，并且可以达到需要的输出位移无需安装放大器装置。可以根据实时作用力的大小调节控制板的移动而调节扁管的高度，从而调节阻尼孔的大小来控制粘滞流体流速的目的，最大限度的吸收和消耗掉力对建筑结构的冲击能量；该阻尼器无需采用位移放大装置即可达到调节阻尼孔的目的，避免了因位移放大装置导致的时滞和精度问题，降低了阻尼器的成本和体积。

Description

一种压电粘滞阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程振动控制技术领域，尤其涉及一种压电式的粘滞阻尼器，是目前世界上理论响应速度最快的半主动控制系统。

背景技术

随着结构工程振动控制越来越受到人们的关注，很多土木工程结构(比如建筑、桥梁和核电站等工业产房)对振动环境的要求越来越苛刻，必须对这些土木工程结构进行振动隔离或减振处理。

土木工程结构振动控制就是在土木工程结构的特定部位装设某种控制装置结构或机构科学合理地控制其工程结构，降低其受到地震或大风中的加速度、位移的影响，保证工程结构、仪器设备、人员的安全。这些控制装置或机构能分担工程在地震中的振动作用，减弱工程自身承担的能量，而且可以通过调整结构的自振频率，增大结构阻尼力，施加控制力等，以达到降低结构振动作用下的各种反应。

由于地震的强随机性和不可预测性，很多的被动控制设备往往起不到作用。而部分的半主动和主动控制设备因为自身的响应速度跟不上控制信号而导致失灵，也起不到控制作用。这些控制信号到控制设备完成这些控制信号所需的时间被称为时滞，时滞大小和系统本身有关，过大会导致系统失稳，对于同一控制设备而言，时滞越小，系统的控制效果越好。基于上述原因，系统的时滞和时滞补偿问题成为了工程结构减振的核心问题。

粘滞流体消能阻尼器(Viscous Fluid Damper，即VFD，简称粘滞阻尼器)作为减振控制装置结构或机构中的一种，是指通过粘滞流体在活塞孔和/或间隙中流动产生阻尼力，耗散振动能量，从而达到减振或隔振的目的。而压电陶瓷以其出力大、响应快、无电磁干扰、能耗低、易于控制等优势而被广泛地应用于土木工程结构、航空航天、汽车以及机械等领域。压电式粘滞阻尼器作为可调粘滞阻尼器的一种，其结构示意图如图1所示，包括由主缸筒和副缸1筒构成的缸筒、活塞4、活塞杆5、外置油管8(旁通管路)、压电驱动器6、控制系统以及位移放大装置7，主缸筒内充满粘滞流体，活塞杆5插入主缸筒并延伸至副缸筒1内，处于主缸筒内的活塞4将主缸筒分隔成第一阻尼室2和第二阻尼室3，外置油管8设置在主缸筒外，且外置油管8的两个端口分别与第一阻尼室2和第二阻尼室3连通，与控制系统电连接的压电驱动器6设于位移放大装置7内，压电驱动器6的位移输出端与位移放大装置7连接，位移放大装置7的控制针9与外置油管内的活塞10连接，通过控制系统控制压电驱动器6产生机械应变而输出位移，该位移经位移放大装置7放大后来控制外置油管内活塞10的移动，从而调节阻尼孔的大小(外置油管活塞10与外置油管内壁之间的孔)，达到控制粘滞流体流速的目的，具有定位精度高，相应速度快，能够减少时滞影响并提高输出力。

压电式粘滞阻尼器的旁通管路(外置油管)一般为圆管道，设于圆管道上的压电驱动器利用逆压电效应原理，在压电块上施加交变电场，压电块就会在某一方向上产生交变的机械应变，实现位移输出。由于压电块基于压电效应位移有限(即输出位移很小)，一般只有几十微米，不能直接用于振动幅值较大的场合(如型号为PST150/14/80的压电驱动器，标称位移为80um，最大位移为105um)。基于此，现有的圆管压电式粘滞阻尼器一般需增加位移放大装置来增加压电块的变形量，从而达到增大输出位移的效果(95％的压电式粘滞阻尼器需增加位移放大装置)。例如，授权公告号为CN103603912B，名称为压电驱动式阻尼连续可调减振器的发明专利，其中公开的可调减振器包括位移机构和当通电时其产生在阀芯轴向方向上的机械变形从而形成该方向上的轴向推动力的压电元件，压电元件产生的位移量通过位移放大机构传递给阀芯，使阀芯产生轴向移动，从而调节上腔和下腔之间粘滞流体的流通量。授权公告号为CN106286693B，名称为一种适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置的发明专利，其中公开的减隔振装置包括复合弹性位移放大机构和安装在所述复合弹性位移放大机构内的压电陶瓷驱动器，复合弹性位移放大机构与压电陶瓷驱动器的主动隔振配合，实现宽频带振动控制，此外复合弹性位移放大机构还将压电陶瓷驱动器的输出位移放大，从而确保了较大振幅的振动输出。

但是位移放大装置的增加会造成压电式粘滞阻尼器的时滞，具体原因在于：1、位移放大装置作为二级放大机构，每增加一次就会增加一次损耗，且不能达到理论上的放大位移；2、由于材料刚度的局限性，位移放大装置中的杠杆会发生轻微变形，导致了放大位移会有损失；3、位移放大装置的转动链采用柔性铰链，铰链本身会因为受力发生应变(侧向弯曲变形及轴向变形)，铰链连接越多，导致放大位移的损耗就越多；4、位移放大装置的内部反力也会导致放大位移的损失；5、位移放大装置为密封结构，在长时间的使用下因材料的疲劳效应会导致放大位移发生偏差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种压电粘滞阻尼器，以解决传统压电式粘滞阻尼器因增设位移放大装置放大输出位移而导致的时滞和精度问题。基于上述原因，需要一种响应速度非常快的阻尼器(本身时滞很小)，本发明提出了一种新型的压电式粘滞阻尼器。本发明基于压电材料的特性和设计方法，响应速度可以达到磁流变阻尼器的一千倍，是磁致伸缩材料的一万倍。因为，本身响应速度很快，可以不需要进行时滞补偿，大大的提高了土木结构工程的精确性和稳定性。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种压电粘滞阻尼器，包括由主缸筒和副缸筒构成的缸筒、活塞、活塞杆、旁通管路、压电驱动器和控制系统；所述主缸筒内充满粘滞流体，所述活塞杆插入主缸筒并延伸至副缸筒内，处于所述主缸筒内的活塞将主缸筒分隔成密闭的第一阻尼室和第二阻尼室；所述旁通管路设置在主缸筒外，且旁通管路的两个端口分别与第一阻尼室和第二阻尼室连通；与所述控制系统电连接的压电驱动器设于所述旁通管路上，其特征是：

还包括与所述压电驱动器的位移输出端连接的控制板；所述旁通管路包括与所述主缸筒平行设置的扁管，以及设于所述扁管两端的第一变截面管道和第二变截面管道；在所述扁管的内壁上开设有与所述控制板尺寸相匹配的凹槽，所述控制板设于所述凹槽内。

本发明的压电粘滞阻尼器将旁通管路由通用的圆管改成扁管，使扁管起到圆管阻尼器中阻尼孔的作用，通过控制系统控制压电驱动器产生机械应变而输出位移，当凹槽位于内顶壁时，压电驱动器的输出位移为0，控制板位于内顶壁的凹槽内，通过增加压电驱动器的输出位移而减小阻尼孔，当凹槽位于内底壁时，压电驱动器的输出位移为最大，控制板位于内底壁的凹槽内，通过减小压电驱动器的输出位移而减小阻尼孔，通过调节控制板的上下移动而调节扁管的高度，从而达到调节阻尼孔来控制粘滞流体流速的目的；该阻尼器无需采用位移放大装置即可达到调节阻尼孔的目的，避免了因位移放大装置导致的时滞和精度问题，降低了阻尼器的成本和体积。

进一步地，所述凹槽开设于所述扁管的内顶壁或内底壁上。

进一步地，所述扁管的宽度与高度之比大于或等于10:1。

进一步地，所述扁管的宽度大于所述主缸的直径。在输出位移相同的情况下，扁管宽度大于主缸的直径时，扁管内产生的阻尼力更大。

进一步地，所述第一变截面管道和第二变截面管道分别与第一阻尼室和第二阻尼室连通，且第一变截面管道、第二变截面管道下端的直径均与所述主缸筒的直径相同，第一变截面管道、第二变截面管道上端的直径均与所述扁管的宽度相同，便于液体从主缸筒流入扁管，再从扁管流入主缸筒。

进一步地，所扁管的横截面为长方形。

进一步地，所述扁管是由不锈钢材质制成的。

进一步地，所述压电粘滞阻尼器所产生的阻尼力F为：

式中：μ为流体动力粘性系数，l为扁管的长度；V为活塞杆的相对运动速度，D为主缸筒的内径，D₁为活塞杆的直径，C是扁管矩形截面长宽比的函数，对于给定管道，C为一常数；d_h是水力直径；a,b分别为扁管长度、宽度的1/2；z为压电驱动器输出的位移量；ρ为扁管内流体的密度。

有益效果

与现有技术相比，本发明提供的一种压电粘滞阻尼器，将旁通管路由通用的圆管改成扁管，使扁管起到圆管阻尼器中阻尼孔的作用，控制系统通过控制压电驱动器产生机械应变而输出位移，当凹槽位于内顶壁时，压电驱动器的输出位移为0，控制板位于内顶壁的凹槽内，通过增加压电驱动器的输出位移而减小阻尼孔(扁管的横截面)，当凹槽位于内底壁时，压电驱动器的输出位移为最大，控制板位于内底壁的凹槽内，通过减小压电驱动器的输出位移而减小阻尼孔，通过调节控制板的移动而调节扁管的高度，从而达到调节阻尼孔来控制粘滞流体流速的目的；该阻尼器无需采用位移放大装置即可达到调节阻尼孔的目的，避免了因位移放大装置导致的时滞问题，降低了阻尼器的成本和体积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明背景技术中圆管压电粘滞阻尼器的结构示意图；

图2是本发明实施例中压电粘滞阻尼器(扁管)的结构示意图；

图3是本发明实施例中压电粘滞阻尼器的部分侧面示意图；

图4是本发明实施例中扁管与主缸筒的截面示意图；

图5是本发明实施例中扁管在直角坐标系中的示意图；

图6是本发明实施例中扁管与主缸筒接头处的液压油流向示意图，左侧箭头表示液压油从主缸筒流入旁通管路，右侧箭头表示液压油从旁通管路流入主缸筒；

图7是本发明实施例中扁管的弯头角度示意图，箭头表示液压油在管道内的流向；

图8是本发明实施例中圆管的孔缩效应流体分布示意图；

其中，1-副缸筒，2-第一阻尼室，3-第二阻尼室，4-活塞，5-活塞杆，6-压电驱动器，7-位移放大装置(黑色部分)，8-外置油管，9-控制针，10-外置油管活塞，11-入油口，12-出油口，13-压电驱动器与外置油管的连接件，14-主缸筒筒壁，15-扁管，16-控制板，17-主缸筒，18-第二变截面管道，19-第一变截面管道。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2和3所示，本发明所提供的一种压电粘滞阻尼器，包括由主缸筒17和副缸筒1构成的缸筒、活塞4、活塞杆5、旁通管路、压电驱动器6、控制系统、以及与压电驱动器6的位移输出端连接的控制板16；主缸筒17内充满粘滞流体，活塞杆5插入主缸筒17并延伸至副缸筒1内，处于主缸筒17内的活塞4将主缸筒17分隔成密闭的第一阻尼室2和第二阻尼室3；旁通管路设置在主缸筒17外，且旁通管路的两个端口分别与第一阻尼室2和第二阻尼室3连通；与控制系统电连接的压电驱动器6设于旁通管路上，旁通管路包括与主缸筒17平行设置的扁管15，以及设于扁管15两端的第一变截面管道19和第二变截面管道18，在扁管15的内顶壁上开设有与控制板16尺寸相匹配的凹槽，控制板16设于凹槽内。在控制板16的宽度与扁管15的宽度相等，控制板16的高度大于或等于扁管15的高度时，压电驱动器6在输出最大位移时，控制板16可以将扁管15完全堵塞。控制板16的初始位置为扁管15的凹槽内。

如图2，3和4所示，扁管15通过左右两端的第一变截面管道19和第二变截面管道18与主缸筒17连通。由于扁管15的宽度大于主缸筒17的直径，因此，采用变截面管道将扁管与主缸筒进行连接，变截面管道从连接处至扁管逐渐扩大，直至变截面管道的直径与扁管宽度一致。

由于压电驱动器基于压电效应所产生的位移有限，如下表1所示，该型号的压电驱动器最大位移为105um，设圆管的直径为2mm(圆管为双阻尼孔)，通过控制孔径大小来达到目标阻尼力，圆管压电式阻尼器则需要位移放大装置来增加压电驱动器的变形量才能达到预期的效果，而位移放大装置会导致时滞。如果将圆管改成扁管，扁管的高度为0.3mm，宽度为21mm，扁管的横截面积与圆管的横截面积近似相等，在无需位移放大装置的情况下，能够达到目标阻尼力，实现预期的控制效果。

表1压电驱动器的技术指标

传统的圆管压电式粘滞阻尼器需要位移放大装置，压电驱动器输出的位移经过位移放大装置放大后才能输出给旁通管路进行阻尼孔的调节，位移放大需要时间，导致输出给旁通管路的位移有时滞或延迟，从而导致阻尼孔的调节以及阻尼力的产生均有延迟，对于地震或大风等自然灾害来说，即使几秒钟的时滞或延迟也可能会造成巨大损失；同时，压电驱动器输出的位移被位移放大装置放大都是根据理论来计算的，实际上，根据背景技术的描述，位移放大装置的损耗导致这种放大存在偏差，即位移放大装置最后输出的位移并不能达到理论位移值，导致旁通管路所产生的阻尼力变小，减震效果降低。

本发明的压电粘滞阻尼器将旁通管路由通用的圆管改成扁管，使扁管起到圆管阻尼器中阻尼孔的作用，通过控制系统控制压电驱动器产生机械应变而输出位移，该位移通过调节控制板的移动而调节扁管的高度，从而达到调节阻尼孔来控制粘滞流体流速的目的；该阻尼器无需采用位移放大装置即可达到调节阻尼孔和阻尼力的目的，避免了因位移放大装置导致的时滞和精度问题，降低了阻尼器的成本和体积。

一、本申请中的扁管阻尼器

扁管起到相当于圆管阻尼器中阻尼孔的作用，由于阻尼介质(粘滞流体)受到摩擦等因素影响，粘滞流体的动能有一部分能量将转化为热能，从而耗散掉振动所输入的能量，在这个过程中处于主缸内的活塞两侧会产生压力损失，两侧存在压差，由此产生了阻尼力。该阻尼力等于活塞的有效受压面积与活塞两侧的压差乘积：

F＝A_s×ΔP (1)

式中，A_s为活塞的有效受压面积；ΔP为活塞两侧的压差。

其中，活塞两侧的压差由以下几部分组成：

ΔP＝ΔP₁+ΔP₂+ΔP₃ (2)

式中，ΔP₁为扁管处的流体摩擦产生的压力损失；ΔP₂为压电驱动器处压力损失；ΔP₃阻尼器中的局部压力损失。

粘滞流体流经扁管管壁时，由于管壁界面并不是完全光滑的，使流体与管壁之间存在一定的摩擦，从而消耗掉一部分能量，被称之为摩擦耗能。摩擦耗能沿着阻尼孔(扁管)的长度方向均匀分布，其所损耗能量的大小只与扁管的长度有关。为了方便计算，对扁管中的粘滞流体做出如下假设：a、粘滞流体流动为层流，只沿轴向运动；b、粘滞流体不可压缩；c、粘滞流体的质量忽略不计。

1、阻尼孔处(扁管处)的流体摩擦产生的压力损失

粘滞流体在扁管中的速度分布规律为推导如下：如图5所示，直角坐标系的原点设于扁管矩形截面的几何中心，X轴与流向一致，矩形截面的长边和短边分别为2a和2b。参考毛建素提出的《矩形管道层流运动的速度分布与摩阻计算》(哈尔滨建筑工程学院学报)1991,3(24).扁管内每个点的流速分布满足下列的泊松方程(仅计算力的大小不区分方向)：

式中，u为点流速；p为点压强；μ为流体动力粘性系数。

在边界的点的速度为0，即边界条件为：

用分离变量法解方程式(3)，可得流速分布为

参考毛建素提出的《矩形管道层流运动的速度分布与摩阻计算》(哈尔滨建筑工程学院学报)1991,3(24).，流量Q与压强p的关系：

根据Donald S.Miller:《Internal Flow A guide to losses in pipe and ductsystems》，层流时摩阻λ：

式中，Re为雷诺数。

参考毛建素提出的《矩形管道层流运动的速度分布与摩阻计算》(哈尔滨建筑工程学院学报)1991,3(24).，由上列公式可导得

式中，d_h是水力直径，水力直径是指过流断面面积的四倍与周长之比，水力直径并不代表直径的含义，而只是在水力学的意义上等效为直径，水力直径为：

式中，A为扁管的横截面面积：S为湿周长度(是指过流断面上流体与固体壁面接触的周界线的长度)。

可见，C是扁管的矩形截面长宽比的函数，对于给定管道，C为一常数，其取值范围为79.34-95.59。

将式(6)对沿x方向积分可以得到：

式(10)中，C₂为未知常数，

由于当x＝0时，ΔP₁＝0，所以C₂＝0。由式(10)可以推出，当x＝l时：

式(11)中，l为扁管长度；Q＝A_sV，

其中，V为活塞杆的相对运动速度；D为主缸筒的内径；D₁活塞杆的直径；所以有

令

由于流体摩擦而产生的阻尼力F₁为：F₁＝C₁V。 (13)

2、半主动阻尼器压电驱动器产生的阻尼力

半主动压电粘滞阻尼器中压电控制阀(或压电驱动器)产生的阻尼力大小与活塞和缸筒的相对运动速度和压电控制阀的开口大小有关。设压电控制阀两端的压强分别为p₁,p₂，V_b为在进入控制区域液压油的流速，V_c为经过压电控制阀后液压油的流速，ρ为液压油的密度，g为重力加速度。

根据伯努利方程：

根据流体连续流动性的原理，液压油在没有发生增减或者漏失的情况下，单位时间内通过导管(扁管)每一个截面液压油质量均相等，表达为：

ρV_bA₁＝ρV_cA₂ (15)

其中，ρ,A₁,A₂分别为液压油的密度、进入压电控制阀前后管道截面积。

联立式(15)和(16)可知：

其中，A₁＝2a*2b,A₂＝(2b-z)*2a，z为压电控制阀的输出位移。

由流体连续原理可知：V_bA₁＝A_sV (18)

由压电驱动器所产生的阻尼力F₂为：

3、由局部压力损失产生的阻尼力

液压油在活塞的作用下由阻尼器的主缸筒流向扁管，液压油经过主缸筒与扁管的连接处，由于主缸筒与扁管连接处的截面突变会产生压力损失，之后液压油在经过扁管90°的弯头时也会产生压力损失，这两部分为阻尼器中的局部压力损失。局部压力损失△p₃的表达式为：

△p₃＝△p_j+△p_ω (20)

式中，△p_j为液压油流经主缸筒与扁管连接处的压力损失，△p_ω为液压油流经扁管90°弯头的压力损失。

局部压力损失的计算为：

其中，ζ为局部阻力系数，V₁为液压油在扁管内的流速。根据流体连续性原理可以推出：

其中，A₁为扁管的横截面面积。联合式(21)和(22)可以得到阻尼器的局部压力损失计算公式为：

粘滞流体(液压油)经主缸筒与扁管管路的连接处时产生局部压力损失，液压油经管道分支处的局部阻力系数如下表2所示。

表2流体经过管道分支处的局部阻力系数

在该阻尼器中，液压油在活塞运动的带动下从主缸筒的第一阻尼室流向扁管，经过压电驱动器从扁管管道的另外一侧流出，流向活塞另一侧的第二阻尼室，液压油流动的情况如图6所示。

根据表2可知在该阻尼器中液压油流经扁管管道处的局部阻力系数ζ₁＝1.3+3＝4.3，代入公式(23)可得液压油流经主缸筒与扁管管道连接处的压力损失：

液压油在经过扁管弯头时也会产生压力损失，由于扁管的弯头为急转弯管，弯头处的阻力系数ζ₂如下表3所示。

如图7所示，扁管的弯头角度α为90°，根据表3可知，阻力系数ζ₂为1.1，由于液压油流经扁管时要经过两个弯头，所以两个弯头处的压力损失所对应的阻力系数为2ζ₂。

表3不同的弯头角度对应的阻力系数

弯头角度	30°	40°	50°	60°	70°	80°	90°
								ζ<sub>2</sub>	0.20	0.30	0.40	0.55	0.70	0.90	1.10

根据式(23)可知，扁管的弯头处的压力损失为：

将式(24)和(25)代入式(20)中可以得到

由此可得，由于局部压力损失所产生的阻尼力F₃为：

半主动压电粘滞阻尼器的阻尼力由阻尼孔处(扁管)的粘滞流体(如液压油)摩擦产生的摩擦耗能、粘滞流体流经压电驱动器处产生的能量和局部压力损失所产生的能量三个部分组成。

不适合支撑连接，计算假设为直角连接，半主动压电粘滞阻尼器的力学模型为：

式中：μ为流体动力粘性系数，l为扁管的长度；V为活塞杆的相对运动速度，D为主缸筒的内径，D₁为活塞杆的直径，C是扁管矩形截面长宽比的函数，对于给定管道，C为一常数；d_h是水力直径；a,b分别为扁管长度、宽度的1/2；z为压电驱动器输出的位移量；ρ为流体的密度。

二、传统的圆管阻尼器

1、阻尼孔处的流体摩擦产生的压力损失：

参考张志强等编著的《建筑结构黏滞阻尼减震设计》，中国建筑工业出版社(P22-31)，牛顿流体摩擦耗能斯托克斯方程(N-S)：

因为在稳定层流中，流体质点没有横向流动，v_x＝v_z＝0,v_y＝v忽略有压管路重力，所以：

f_x＝0,f_y＝0,f_z＝0 (30)

从而得到：

对于不可压缩流体，其连续性微分方程为：

将上述条件代入N-S方程得：

压力与x，z坐标无关，因此有：

为了更方便计算于方程的积分，选用柱坐标表示

x²+z²＝r²,x＝rcosθ,z＝rsinθ (35)

整理代入到(N-S)方程中：

若设管长l上的压降为Δp，则

由管轴r＝0处，流速v为有限值，可得C₁＝0。又知管壁r＝r0出，v＝0，得

最后得：

为了计算流量，在过流断面上半径r处取宽度为dr的微元环形面积。由此可得通过整个过流断面流量为：

因此平均流速

为：

进而可知流体在圆管中流过距离l后的压降Δp为:

又知

进而可得：

设N为活塞上阻尼孔的数量，则流经活塞阻尼孔的流体连续性方程为：

由上面两式整理得到：

2、孔缩效应导致的耗能

由于阻尼孔的孔径远小于油缸的孔径，所以当粘滞流体在活塞的推动下由油缸流入阻尼孔或者从阻尼孔流向油缸时，由于截面突然的变化，会产生一定的能量损耗，我们称这种能量损耗为孔缩效应。粘滞流体的孔缩效应包括两部分，即入口流束收缩能耗和出口流束扩大能耗。流体经过管道的截面突然产生突变产生的阻力与流体的粘度无关，故这里有两个假设：

(1)流体为理想流体，其粘度为零，可以忽略粘滞摩擦耗能；

(2)流体的速度为非负值。

图8为流体发生孔缩效应时的流体分布示意图，c-c为孔隙入口处流体收缩截面，d-d为流束扩大截面，e-e为流体在孔中稳流的阶段截面，e-e之后则为流束扩大耗能阶段；孔隙两端的压强分别为p₁、p₂，v为外置油管道在入阻尼孔之前油液的流速，v_e为流体在阻尼孔中稳流阶段的流速，v_c为收缩阶段流速。

根据能量守恒定律可讲伯努利方程：

式中，α₀为外置管道截面的动力修正系数；α_c为收缩截面的动力修正系数；E_w为孔缩效应的损失。

取两个截面的动力修正系数α₀＝α₁＝1，考虑到阻尼器是一个密闭的空间，根据流体连续流动性的原理，液压油在没有发生增减或漏失的情况下，单位时间内通过导管每一个截面的液压油质量均相等，表达为：

ρ₁v₁A₁＝ρ₂v₂A₂ (46)

其中，ρ、v、A分别为液压油的密度、流速和管道截面积；

由于采用一种油液，密度保持不变，而阻尼孔的截面面积远远小于外置油管道的截面面积，即A1<<A外置油道，所以依据(45)可以得到阻尼孔中油液的流速远大于外置油管道中油液的流速，即v<<v_c，所以v相对于v_c来说可以忽略不计，则(46)式可以改写成：

E_w为阻尼孔产生孔缩效应的能耗，可以记为：

其中ζ为阻力损失系数。

将式(48)代入式(47)，又因为v_c＝v_e，则

因此流量方程为

又根据流体的连续性可以得到

A₁v_e＝A_SV＝Q (51)

联立(48)-(51)得

由于F₂＝△p₂A_S，

和

结合(51)则可以得到：

当阻尼孔有N个时，则孔缩效应产生的阻尼力则为：

式中，∑ζ＝ζ_c+ζ_e，∑ζ为总阻力损失系数；ζ_c入口收缩损失系数；ζ_e流束扩大损失系数；∑ζ取值见表4：

表4阻尼器的阻尼耗能系数

由于半主动压电粘滞阻尼器的阻尼孔采用的是毛细管式阻尼孔，则由孔缩效应产生的阻尼力则为：

其中，F₂＝C₂V²，

3、局部压力损失产生的阻尼力

参考赵新泽编著的《液压传动基础》(P31)，压电半主动粘滞阻尼器中半主动阻尼器压电控制阀处产生的控制力大小与压电半主动粘滞阻尼器活塞与缸体相对运动速度和压电阀的开口大小有关，依据流体力学原理可知油液流经控制阀处的流量：

其中，Q₃为流经控制阀处的流量，m³/s；C_d为流量系数，对于牛顿流体，C_d＝1；A_k为控制阀流通面积，m²。

根据流体连续性原理可以知道通过控制阀处的液体流量Q₃是活塞运动产生的流量Q的一半，即

Q₃＝Q＝0.5A_SV (57)

将上式代入(56)可以推出油液流经控制阀处产生的压差：

当0<x≤2R时，

则控制阀产生的阻尼力:F₃＝C₃V²,其中，

得

则，

参考雷天觉编著的《新编液压工程手册》(P19-29)，局部损失的计算

其中，ζ为局部阻尼系数；v_w为油液在外置油管道的流速。

根据流体连续性原理，由公式(46)可以推出：

其中，A_w为外置油管道截面面积；D为阻尼器油缸内径；D₁为阻尼器活塞杆直径；D_w为外置油管道管路内径。

联合(62)和(63)可以得到阻尼器的局部压力损失计算公式为：

粘滞流体经过油缸与外置油管路的连接处产生压力损失，查表2可知在该阻尼器中液体流经外置油管道处局部阻力系数：ζ₁＝1.3+3＝4.3。

联合公式(64)与(63)则可以得到油液流经油缸与外置油管道连接处压力损失：

油液在经过外置油管路弯头时也会产生压力损失。由于外置油管道的弯头为急转弯管，弯头处的阻力系数如表3所示。

如图6所示为外置油管道弯头的情况，为90°弯头，则查表3可得ζ＝1.1，由于油液流经外置油管路时要经过两个弯头，所以存在两个弯头处的压力损失，ζ₂＝2ζ＝2.2。

则外置油管路的弯头处的压力损失：

将(65)和(66)代入(64)中可以得到

由此可以得到由局部损失产生的阻尼力：

粘滞流体在阻尼器中油管流动时的局部能量损失和孔缩效应导致的耗能的比

将式(55)、(68)代入上式可得：

由于d⁴远远小于

接近于0，则可认为粘滞流体在阻尼器中油管流动时的局部能量损失可以忽略不计。

压电半主动粘滞阻尼器的阻尼力由阻尼孔处的粘滞流体摩擦产生的摩擦耗能、孔缩效应导致的耗能、粘滞流体流经阻尼器压电控制阀处产生的能量损失三个部分组成。

(传统圆管)压电半主动粘滞阻尼器的力学模型为：

其中，N是阻尼孔数量。

三、扁管阻尼器和传统圆管阻尼器的比较

根据式(28)和(69)，扁管压电粘滞阻尼器和圆管压电式粘滞阻尼器所产生的阻尼力均可以由F＝F₁+F₂＝C₁V+C₂V²这种形式来表示，因此，扁管压电粘滞阻尼器和圆管压电粘滞阻尼器所产生的阻尼力的大小可以通过C₁和C₂的大小来判定。

扁管的C₁和C₂为：

圆管的C₁和C₂为：

在圆管和扁管的截面面积近似相等的情况下，设圆管的直径为2mm(圆管为双阻尼孔)，扁管的高度为0.3mm，宽度为21mm(扁管为单阻尼孔)，通过matlab计算得到：

扁管：C₁＝2.1674×10⁸n(m/s)^-1,C_2max＝3.5644×10⁷C_2min＝2.5296×10⁷n(m/s)^-2；

圆管：C₁＝3.2519×10⁶n(m/s)^-1,C₂＝C_2max＝1.5458×10⁷C_2min＝1.3779×10⁷n(m/s)^-2；

通过对比可以看出扁管的出力无论是在有控制还是在无控制情况下，出力都大于圆管。扁管阻尼器的耗能高于圆管阻尼器，即表明在无需位移放大装置的情况下，扁管阻尼器能够达到目标阻尼力，实现预期的控制效果。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压电粘滞阻尼器，包括由主缸筒(17)和副缸筒(1)构成的缸筒、活塞(4)、活塞杆(5)、旁通管路、压电驱动器(6)和控制系统；所述主缸筒(17)内充满粘滞流体，所述活塞杆(5)插入主缸筒并延伸至副缸筒(1)内，处于所述主缸筒(17)内的活塞(4)将主缸筒(17)分隔成密闭的第一阻尼室(2)和第二阻尼室(3)；所述旁通管路设置在主缸筒(17)外，且旁通管路的两个端口分别与第一阻尼室(2)和第二阻尼室(3)连通；与所述控制系统电连接的压电驱动器(6)设于所述旁通管路上，其特征在于：

还包括与所述压电驱动器(6)的位移输出端连接的控制板(16)；所述旁通管路包括与所述主缸筒(17)平行设置的扁管(15)，以及设于所述扁管(15)两端的第一变截面管道(19)和第二变截面管道(18)；在所述扁管(15)的内壁上开设有与所述控制板(16)尺寸相匹配的凹槽，所述控制板(16)设于所述凹槽内。

2.如权利要求1所述的一种压电粘滞阻尼器，其特征在于：所述凹槽开设于所述扁管(15)的内顶壁或内底壁上。

3.如权利要求1或2所述的一种压电粘滞阻尼器，其特征在于：所述扁管(15)的宽度与高度之比大于或等于10:1。

4.如权利要求3所述的一种压电粘滞阻尼器，其特征在于：所述扁管(15)的宽度大于所述主缸筒(17)的直径。

5.如权利要求1所述的一种压电粘滞阻尼器，其特征在于：所述第一变截面管道(19)和第二变截面管道(18)分别与第一阻尼室(2)和第二阻尼室(3)连通，且第一变截面管道(19)、第二变截面管道(18)下端的直径均与所述主缸筒(17)的直径相同，第一变截面管道(19)、第二变截面管道(18)上端的直径均与所述扁管(15)的宽度相同。

6.如权利要求1所述的一种压电粘滞阻尼器，其特征在于：所扁管(15)的横截面为长方形。

7.如权利要求1所述的一种压电粘滞阻尼器，其特征在于：所述扁管(15)是由不锈钢材质制成的。

8.如权利要求1所述的一种压电粘滞阻尼器，其特征在于：该阻尼器所产生的阻尼力F为：

式中：μ为流体动力粘性系数，l为扁管的长度；V为活塞杆的相对运动速度，D为主缸筒的内径，D₁为活塞杆的直径，C是扁管矩形截面长宽比的函数，对于给定管道，C为一常数；d_h是水力直径；a,b分别为扁管长度、宽度的1/2；z为压电驱动器输出的位移量；ρ为扁管内流体的密度。

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