作者：付智 建筑學(xué)院 林煜昆 生命科學(xué)學(xué)院
指導(dǎo)老師：張嘎 水利水電工程系
關(guān)鍵詞：吊具、減震、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、數(shù)值模擬
摘要
在日常生活中，吊燈、吊扇等吊具在發(fā)生地震或其他擾動(dòng)時(shí)，可能掉落成為安全隱患。本項(xiàng)目旨在通過(guò)對(duì)懸掛吊具的結(jié)構(gòu)性改造和組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到減震的效果。項(xiàng)目探究進(jìn)行直桿的結(jié)構(gòu)性改造以及與特殊的萬(wàn)向節(jié)連接兩種減震方案，利用Abaqus軟件進(jìn)行數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中驗(yàn)證了方案的可行性。
結(jié)構(gòu)性改造
在常用的圓柱形直桿上增加軸向凸起，命名為三齒桿。三齒桿增加截面慣性矩，在承受相同的彎矩下，受應(yīng)力較小。相比直桿，三齒桿的固有頻率更高，抗強(qiáng)震能力更強(qiáng)。具體尺寸如下：
圖1 三齒桿截面尺寸
組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
將萬(wàn)向節(jié)與三齒桿連接，并限制萬(wàn)向節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度。萬(wàn)向節(jié)提供自由度，可以改善桿件的邊界條件，吸收振動(dòng)波，減小晃動(dòng)幅度。
圖2 萬(wàn)向節(jié)+直桿模式圖
Abaqus數(shù)值模擬
結(jié)構(gòu)改造的模擬結(jié)果：常用圓桿在地震載荷下，發(fā)生很大形變，形變程度增量達(dá)208。三齒桿形變程度增量只有19。
圖3數(shù)值模擬結(jié)果（圓柱桿被破壞而三齒桿基本完好）
振動(dòng)吸收的模擬結(jié)果：在安裝柔性材料（功能與萬(wàn)向節(jié)相似）的桿件中，主要的地震剪切力被柔性材料吸收。
圖4數(shù)值模擬結(jié)果（柔性材料吸收剪切力）
振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)
將桿件安裝在水平振動(dòng)臺(tái)上，將筆連接在桿件末端，通過(guò)筆隨桿件擺動(dòng)在紙上畫出的圖像，能反映桿件末端的晃動(dòng)情況。
只進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造時(shí)，三齒桿的末端晃動(dòng)幅度低于圓桿。說(shuō)明結(jié)構(gòu)改造確實(shí)有助于剛性直桿的抗切性能。
在圓桿或三齒桿上安裝萬(wàn)向節(jié)后，筆尖晃動(dòng)的幅度可忽略不計(jì)。萬(wàn)向節(jié)的減震幅度可達(dá)97%，減震效果很顯著。
圖5試驗(yàn)用振動(dòng)臺(tái)
圖6 末端筆尖擺動(dòng)圖像（20Hz，安裝萬(wàn)向節(jié)）
結(jié)論
總體上設(shè)計(jì)達(dá)到目的，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證完善了設(shè)計(jì)過(guò)程。桿件本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有更好的抗切性能，在微小變形中撓度更小，晃動(dòng)幅度更小。不過(guò)一味增加連接桿的彎曲剛度并不一定能減小晃動(dòng)幅度，或者減震效果不明顯，還需要考慮共振情況。通過(guò)萬(wàn)向節(jié)增加邊界自由度大幅提升了吊具桿件的穩(wěn)定性，末端的晃動(dòng)幾乎為0。而萬(wàn)向節(jié)靈活度的變化也能影響減震效果，推測(cè)可以通過(guò)改造適應(yīng)多種工況。后續(xù)可以繼續(xù)探究萬(wàn)向節(jié)的強(qiáng)度選擇和靈活度設(shè)計(jì)。
