基于正交设计的黏滞流体阻尼器性能仿真及参数分析Performance simulation and parameter analysis of viscous fluid damper based on orthogonal design

伍勇1，郭有松2，洪明*1 1大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连 116024 2江苏工邦振控科技有限公司，江苏常州 213000

摘 要:［目的］研究黏滞流体阻尼器工作时的内部流场分布规律、开孔半径、开孔长度、开孔个数以及活塞直径对阻尼系数和速度指数影响的敏感度。［方法］通过正交设计得到参数设计方案，采用FLUENT 软件进行流场仿真计算，以得到流场分布规律及各方案的阻尼系数和速度指数，并计算各结构参数对两者的影响程度。［结果］计算结果表明，黏滞流体阻尼器的内部流场分布基本符合平行平板、圆管内的定常层流运动分布规律。各结构参数对阻尼系数和速度指数的影响程度依次为：开孔半径˃活塞直径˃开孔个数˃开孔长度；开孔半径˃开孔个数˃开孔长度˃活塞直径。［结论］采用正交设计并结合FLUENT 流场仿真的方法能够最大限度地减少设计方案的数量，可以节约试验成本，缩短设计周期，具有很高的实际应用价值。关键词：黏滞流体阻尼器；正交设计；FLUENT流场仿真；灵敏度分析中图分类号: U664.84；TB535 文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01872 1 School of Naval Architecture Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China 2 Jiangsu Gongbang Vibration Control Technology Co., Ltd., Changzhou 213000, China

Abstract: ［Objectives ］ This paper investigates the flow field distribution inside a working viscous fluid damper (VFD) , and the sensitivity of the hole radius, hole length, number of holes and piston diameter to the damping coefficient and velocity index.［Methods ］ Parameter design schemes are obtained through orthogonal design, and a FLUENT flow field simulation is applied to study the flow field distribution, and calculate the impact degree of structural parameter on the damping coefficient and velocity index of each scheme. ［Results］The results show that the internal flow field distribution basically conforms to the regular distribution of laminar flow in parallel flat plates and tubes, the impact degree of of each factor on the damping coefficient and the velocity is obtained in descending order, i.e. hole radius>piston diameter> number of holes>hole length, and hole radius>number of holes>hole length>piston diameter.［Conclusions ］ The combination of orthogonal design and FLUENT flow field simulation can minimize the design scheme, shorten the design cycle, and reduce experimental cost, giving it great significance for practical engineering applications. Key words: viscous fluid damper (VFD)； orthogonal design； FLUENT flow field simulation；sensitivity analysis

0 引 言 由缸筒、活塞头、活塞杆 、密封件和黏性介质等部分组成，属于速度相关型阻尼器，具有结构简

黏滞流体阻尼器（ viscous fluid damper, VFD） 单、无刚度、速度快以及减振效果好等特点，被广

收稿日期: 2020–01–02 修回日期: 2020–08–03 网络首发时间: 2021–04–26 10:26作者简介:伍勇，男，1996年生，硕士生。研究方向：结构失效、振动和噪声机理、预报及控制。E-mail：wuy0511@mail.dlut.edu.cn郭有松，男，1974 年生，硕士，高级工程师。研究方向：结构减振/吸振设计与制造。E-mail：ysguo1@163.com洪明，男，1959年生，博士，教授。研究方向：结构失效、振动和噪声机理、预报及控制。E-mail：mhong@dlut.edu.cn *通信作者:洪明

泛应用于军事装备、航空航天、船舶、车辆等领域。目前，VFD的理论相对比较成熟，而准确把握各结构参数对VFD阻尼性能影响的敏感度以用于指导设计仍是当前研究的难点，与此同时，其阻尼性能的设计和参数测定仍以大量的试验为主，研发周期长、成本高。国内外研究人员对于VFD 的研究已取得诸多成果。Makris 等[1] 重点研究了VFD 的流体动力学理论，提出了力学模型，该研究为VFD 的应用设计奠定了理论基础，但未研究VFD结构参数对阻尼性能的影响。美国国家地震研究中心和加州大学伯克利分校地震研究中心针对VFD 做了大量的模型试验研究。此外，美国国家科学基金会和美国土木工程学会也针对VFD 组织了2次大型的联合测试：美国旧金山金门大桥联合测试和美国高速公路创新技术评估中心对比试验（HITEC） [2-3]。这些试验测试旨在证明VFD 用于结构抗振的可行性和可靠性，而对于如何具体设计未做研究。对于VFD结构参数与阻尼性能间的关系，欧进萍和丁建华[4-5] 构建了间隙式和孔隙式 VFD的阻尼力计算公式，但未能得出各结构参数对速度指数的影响程度。陈威[6] 通过控制变量法研究了VFD的结构参数对阻尼性能的影响，但因研究方案太多，效率较低，无法得出各参数对阻尼性能的敏感度。刘晓飞[7] 重点研究了活塞开孔形式对VFD的速度指数的影响，而其他结构参数对速度指数的影响则未予以研究。从上述国内外研究情况来看，对VFD 的研究主要包括2类：一类是研究理论基础及其实际应用的可行性；另一类是研究各结构参数与阻尼性能间的关系。然而，目前对于VFD各结构参数对阻尼性能的敏感度，以及通过FLUENT 仿真计算与理论对比分析来设计研究VFD 阻尼性能的文献较为少见。受前人启发，本文拟采用正交设计方法，研究VFD的结构参数对阻尼性能的敏感度，并优化VFD的设计方法。首先，确定各结构参数的选取范围；然后，运用正交设计表确定各参数组合，得到最具代表性的不同设计方案，通过FLUENT流场仿真计算得到各方案的阻尼系数和速度指数，并与理论计算和实测结果进行对比，验证仿真的准确性；最后，由正交设计原理得到各结构参数对阻尼性能影响的敏感度，以用于优化结构参数。

1 正交设计原理

在 20 世纪 40 年代后期，日本统计学家田口玄一（Genichi Taguchi）使用设计好的正交表（正交设计法中用于合理安排试验并对数据统计分析的一种特殊表格工具）安排试验 ，这种方法简单易行，从此正交设计在世界范围内得以普遍推广和使用[8]。正交设计是多因素的优化试验设计方法，是从全面试验的样本点中挑选出具有代表性的样本点来做试验 ，这些样本点具有均匀分散性和整齐可比性[8]。具体的实际操作就是使用正交表得到这些样本点，进而得到相应的试验方案。以 L9(34) 正交表为例，L 为正交表代号，9表示该表共9 行，3 表示每个影响因素具有3 个水平取值，4表示该正交表最多安排4 个因素。以图 1 对 L9(34) 进行直观解释：三维正方体由3个互相垂直的平面分割出27个交叉点，每个维度代表一个影响因素； 将每个维度分割成3份代表每个因素的水平，则全部27 个交叉点代表3 个因素、3个水平所需的全部试验次数。根据正交设计思想，只需均匀分散的9 个试验点。具体位置安排如下：每个平面含9 个交叉点，能确保刚好有3个是正交试验点，且每条横线及竖线上分布有1 个正交试验方案。图1所示为得到的含9个标记的试验点方案。以三角形标记点为例，其表示A2B2C1 ，即 A 因素取2个水平，B因素取2 个水平，C因素取1个水平。

正交试验设计方案制定与数据处理流程如图 2 所示。图中，K为正交表中任一列相同水平号对应的试验结果之和，R为各水平K的平均值中最大与最小值的差值（极差）， F为阻尼力。

2 物理模型

本研究设计了组合式VFD，图3所示为构建的物理模型，其由缸筒、活塞、活塞杆及内部二甲基硅油介质组成。分析中，假设阻尼器内部的二甲基硅油均匀且不可压缩，活塞杆和活塞头等为不变形的刚体，且温度恒定。图中，D0为缸筒直径，D1 为活塞直径，D2为活塞杆直径，L为缸筒长