基于ABAQUS的C型金属阻尼器仿真设计
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作者:陶文兵 沈景凤 王正东 田顺
摘 要：针对目前C型金属阻尼器在阻尼单元尺寸结构设计方面存在尺寸参数过少，结构过于简单和实际应用中的效果误差太大等问题。应用分类和系统设计方法，基于参数模型模拟阻尼器在受力载荷下时应力应变情况，运用ABAQUS对三款不同初始角度的金属阻尼器单元进行了仿真设计，结果表明三款阻尼单元弹塑性过渡阶段、塑性阶段后的屈服刚度与初始刚度的比值分别在2.8和17左右，与工程应用中的钢材经验计算比值3和20十分接近，符合实际状况。
关键词：金属阻尼;单元设计;仿真;ABAQUS
Abstract： There are many problems in design of damping element size structure for C-type metal damper， including too few dimension parameters， over-simplified structure， big effect error in practical application， etc. Through the method of classification and system design， the stress and strain of the damper are simulated based on the parameter model. Three metal damping elements with different initial angles are designed by using ABAQUS. The results show that the ratios of yield stiffness to initial stiffness of three damping elements are around 2.8 and 17， respectively during and after the elastic-plastic stage， which are very close to the ratios of 3 and 20 in empirical calculation of steel in engineering application， in line with the actual situation.
Keywords： metal damping; unit design; simulation; ABAQUS
1 引言（Introduction）
C型金属阻尼器是以多片C形状的金属阻尼单元为基础，以某种支座连接组合而成的具有阻尼性能的装置。工作原理是通过阻尼单元的拉弯塑性形变消耗水平方向的地震力，从而保护桥梁主体结构免于破坏，其材料一般是软钢或高强度钢，其构造主要由支座和阻尼单元两部分连接组成，支座又可以为普通钢阻尼支座、高阻尼橡胶支座、球型钢支座与球型支座，后三者平常与普通钢支座作用类似，地震时发挥阻尼器作用，能有效地消耗竖向震动能量，通过极小的工程投入，极大程度上提升了桥梁的可靠性和耐久性。
金属阻尼器的设计[1-4]属于直接基于位移的抗震设计，即在一定程度的载荷下，阻尼器以预期的位移反应为设计目标，从而实现整体构造在地震作用下对阻尼性能的要求。在2003年，Lin等[5-8]提出了基于位移方法设计的消能减震结构流程。周云等将直接基于位移的设计方法引入到基础隔震结构设计当中，提出了基于隔震结构基于位移设计的位移指标和设计准则，给出了明确的设计位移反应谱及设计步骤[9，10]。我国目前抗震设计仍采用以力为基础的加速度反应谱设计方法，探索相对可行的消能减震结构及元件的设计方法，并以此为推广和使用的理论基础是我国目前亟待解决的问题。
本文应用分类和系统设计方法，基于参数模型模拟阻尼器在受力载荷下时应力应变情况，运用ABAQUS对三款不同初始角度的金屬阻尼器单元进行仿真设计，很好地完成了对于C型金属阻尼单元的结构设计并满足相应的消能减震要求。
2 仿真（Simulation）
2.1 材料附加
C形金属阻尼单元采用Q345B钢材制作，应用有限元软件ABAQUS模拟[11]C形阻尼器的静力加载过程的位移大小，模拟时对于设计初始角为15°、20°、25°的阻尼元件选用三维可变形的实体单元，试件材料采用已测标定的Q345钢材在循环荷载作用下的混合本构模型关键材料参数（表1）。
钢材的密度取7.85g/cm3，弹性模量取210Gpa，泊松比取0.3。材料屈服准则采用Von Mises屈服准则，即在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。
2.2 单元类型及网格划分
在C型金属阻尼器的实际设计结构中，螺栓起连接耗能单元和支座的作用，将阻尼单元两端孔分别固定在上下底板上。在模拟分析中可以对模型进行简化，如图1（a）所示，将两螺栓孔用螺栓固定住。另外，螺栓孔也可忽略，用Tie约束来表示螺栓连接的作用。最终阻尼单元的简化几何模型如图1（b）所示，网格划分采用实体单元二次六面体减缩积分单元C3D20R。
2.3 仿真过程
以15°初始角为例进行仿真分析，拉伸过程分为弹性和塑形形变，弹性阶段从100kN到175kN，每隔25kN仿真一次得到四个应力应变图，而200kN到设计应力250kN及以上包含了弹性形变与塑形形变，以每隔50kN仿真一次得到四个应力应变图。
（1）弹性阶段
100kN到175的应变是等差值变化的，所以此阶段为弹性变形阶段。 （2）弹塑性过渡阶段
200kN的值与100kN—175kN每小段变化值基本相同，在250kN时，红色部分已经基本涵盖了整个表面，且应变的变化幅度较前面大。
（3）塑性阶段
300kN时，阻尼单元已经趋于完美应变状态，350kN后红色部分在中性层左右交叉，表明阻尼单元已经破坏。
阻尼单元的工作状态中不仅仅存在拉伸过程，也有压缩过程，弹性阶段应力应变基本一致，塑性阶段仿真加载力从200kN到350kN，得到应力应变图。
15°初始角阻尼单元仿真压缩在200kN、250kN、300kN的时候的位移与拉伸时候的基本一致，误差在10%以内，而在350kN的时候，应变位移为301.43mm，远远大于拉伸时的234.61mm，基本判定为失效。在拉伸力为300kN时的应力为459MPa，小于材料的极限强度490MPa≤抗拉强度≤620MPa，满足材料强度要求，因此可以用拉伸100kN—300kN作为本次仿真的受力范围。拉伸应力应变，如表2所示。
3 仿真分析（Simulation analysis）
将有效应力与应变位移以坐标图6的形式呈现可以发现，三种不同初始角度设计出来的阻尼单元在拉力变大的情况下，应变趋势基本相同，差距比较小。
将图6（d）转变为图7应变—载荷图，可以明显发现在200kN以前是应力按比例随着位移的增加而增加;200kN到250kN是彈性阶段到塑性阶段过度的阶段，里面包含着部分弹性阶段和部分塑形阶段;250kN以后为全塑形阶段，因此位移增加很大一段，应力才小幅度增加。
在受到应力相同情况下时候，位移按照初始角15°、20°、25°的设定下由大到小变化，这说明了在设计地震力要求一定时，15°初始角制成的金属阻尼单元有更好的延伸性，而25°初始角制成的金属阻尼单元的进入耗能状态最快，三者中最先达到设计强度要求。
由于设计阻尼单元尺寸时候，三者的尺寸不一样，15°、20°、30°初始角模型的两螺栓点初始距离分别为1489.04mm、1402.43mm、1295.93mm，以应变位移除以初始距离，可以得到单位比例位移下的应变位移—应力关系图。
从图8可以明显发现，尽管三种阻尼单元的位移相对而言，15°的延伸性能最好，但在应变位移与自身初始螺孔中心点距离百分比的情况下，三者差距不大，在应力变大的情况下，25°的自身延伸性最好。
4 结论（Conclusion）
本文应用有限元软件对设计不同初始角度的三款金属阻尼单元进行了静力加载模拟，对模拟数据进行应变分析。通过有限元模拟得到的屈服载荷、屈服位移、变形情况，结果表明三款阻尼单元弹塑性过渡阶段、塑性阶段后的屈服刚度与初始刚度的比值分别在2.8和17左右，与工程应用中的钢材经验计算比值3和20十分接近，因此符合实际状况。仿真验证了三款阻尼单元最大滞回环面积比值与设计弧度比相等，从应变与自身初始长度的百分比可知25°的延伸性最好，15°与20°的相差较小。
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作者简介：
陶文兵（1995-），男，硕士生.研究领域：精密测量与智能控制.
沈景凤（1968-），女，博士，副教授.研究领域：机械设计与理论，CAD/CAE，虚拟设计.
王正东（1994-），男，硕士生.研究领域：精密测量与智能控制.
田 顺（1994-），男，硕士生.研究领域：精密测量与智能控制.
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