作者：付智 建筑学院 林煜昆 生命科学学院
指导老师：张嘎 水利水电工程系
关键词：吊具、减震、振动台试验、数值模拟
摘要
在日常生活中，吊灯、吊扇等吊具在发生地震或其他扰动时，可能掉落成为安全隐患。本项目旨在通过对悬挂吊具的结构性改造和组合结构设计达到减震的效果。项目探究进行直杆的结构性改造以及与特殊的万向节连接两种减震方案，利用Abaqus软件进行数值模拟与优化设计，最终在振动台试验中验证了方案的可行性。
结构性改造
在常用的圆柱形直杆上增加轴向凸起，命名为三齿杆。三齿杆增加截面惯性矩，在承受相同的弯矩下，受应力较小。相比直杆，三齿杆的固有频率更高，抗强震能力更强。具体尺寸如下：
图1 三齿杆截面尺寸
组合结构设计
将万向节与三齿杆连接，并限制万向节的转动幅度。万向节提供自由度，可以改善杆件的边界条件，吸收振动波，减小晃动幅度。
图2 万向节+直杆模式图
Abaqus数值模拟
结构改造的模拟结果：常用圆杆在地震载荷下，发生很大形变，形变程度增量达208。三齿杆形变程度增量只有19。
图3数值模拟结果（圆柱杆被破坏而三齿杆基本完好）
振动吸收的模拟结果：在安装柔性材料（功能与万向节相似）的杆件中，主要的地震剪切力被柔性材料吸收。
图4数值模拟结果（柔性材料吸收剪切力）
振动台试验
将杆件安装在水平振动台上，将笔连接在杆件末端，通过笔随杆件摆动在纸上画出的图像，能反映杆件末端的晃动情况。
只进行结构改造时，三齿杆的末端晃动幅度低于圆杆。说明结构改造确实有助于刚性直杆的抗切性能。
在圆杆或三齿杆上安装万向节后，笔尖晃动的幅度可忽略不计。万向节的减震幅度可达97%，减震效果很显著。
图5试验用振动台
图6 末端笔尖摆动图像（20Hz，安装万向节）
结论
总体上设计达到目的，通过理论分析、数值模拟、实验验证完善了设计过程。杆件本身结构设计有更好的抗切性能，在微小变形中挠度更小，晃动幅度更小。不过一味增加连接杆的弯曲刚度并不一定能减小晃动幅度，或者减震效果不明显，还需要考虑共振情况。通过万向节增加边界自由度大幅提升了吊具杆件的稳定性，末端的晃动几乎为0。而万向节灵活度的变化也能影响减震效果，推测可以通过改造适应多种工况。后续可以继续探究万向节的强度选择和灵活度设计。
