新型材料—形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用

摘要形状记忆合金是一种在结构振动控制领域具有广泛应用前景的智能材料。本文介绍形状记忆合金最显著的两个性质：状记忆效应和超弹性，并详细的总结了形状记忆合金在结构振动控制中的应用。关键字：形状记忆合金；减振；应用ABSTRACTThe shape memory alloy is an intelligent material，which has a goodprospect in the field of structural vibration controlThis thesis introduces that the shape memory alloy has two very important characteristics：shape memory effect and super elastic，and an overview of SMA applications in structuralvibration control are summarizedKEYWORDS：Shape memory alloy； Damping；Application1 前言 形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简称SMAs)是一种具有多种特殊力学性能的新型功能材料,利用形状记忆合金超弹性效应(Superelastic Effect,简称SE)设计的被动耗能器与其他的金属耗能器相比,具有耐久性和耐腐蚀性能好、使用期限长、允许大变形并且变形可回复等一系列优点,因此在结构振动控制领域具有很好的应用前景1-4。 形状记忆合金被设计成耗能器用于土木工程结构的振动控制是从上世纪90年代初开始的,并且到目前为止,大多数研究主要针对形状记忆合金的超弹性性能展开。例如,Graesser5等人提出的用于桥梁结构的2 形状记忆合金的发展历程形状记忆合金的形状记忆效应早在1932年就被美国学者Olander在AuCd合金中发现了，在1948年苏联学者库尔久莫夫等曾预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变，在1951年张禄经和T.A.Read报道了原子比为1:1的CsCI型AuCd合金在热循环中会反复出现可逆相变，但是都未引起人们足够的注意。形状记忆合金作为一种新型功能新材料为人们所认识，并成为一个独立的学科分支是始于1963年，当时美国海军武器实验室的W.J.Buehler博士领导的研究小组在一次偶然的情况下发现Ni-Ti合金的工作性能因温度不同，敲击时发出的声音也有明显不同的现象，这种现象说明该合金的声阻尼性能与温度有关，通过进一步研究，发现近等原子比的Ni-Ti合金具有良好的形状记忆效应(shape memory effect，简称SME)，并且报道了通过X射线衍射等试验的研究结果。以后Ni-Ti合金作为商品进入市场给近等原子比的Ni-Ti合金商品取名为Nitinol。70年代初,又发现Cu-Al-Ni合金也具有良好的形状记忆效应，到1975年左右，相继开发出具有形状记忆效应的合金达20种。并在1975年在加拿大多伦多大学召开了国际上第一次形状记忆效应及其应用研讨会，从此与形状记忆合金有关的相变和力学行为的研究一直是国际马氏体相变会议及新材料会议的重要议题之一。1975年至l 980年左右，对形状记忆合会的形状记忆效应机制、以及和形状记忆效应密切相关的相变伪弹性效应，或叫超弹性、拟弹性机制展开了世界性规模的研究，研究中发现的双程形状记忆效应、全方位形状记忆效应、R相变等现象,为形状记忆合会的应用开拓了更广阔的前景。80年代初，经历了将近20年的时间，科学研究工作者们终于突破了Ni-Ti合金金研究中的难点，研究和建立了形状记忆合金本构关系，成为当时形状记忆合金的标志性学术成果。从那以后，形状记忆合金成了许多国家的热门学科。不仅如此，形状记忆合金在市场上付诸实际应用的例子已逾上百种，应用涉及的领域及其广泛,包括电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家电、以及日常生活用品等。从此以后，形状记忆合金引起了人们广泛的重视并进行研究，从而使形状记忆合金材料的研究与开发应用进入了一个崭新的阶段。尤其是近年来，随着智能材料结构系统研究的迅速发展和崛起，人们又将形状记忆合金材料的应用推向了更广泛的研究领域，使得形状记忆合会逐渐成为智能材料结构系统研究中不可缺少的一种功能性传感和驱动材料，从而在智能材料结构系统的应用研究中发挥着越来越重要的作用。3形状记忆合金的基本性能形状记忆合金是指在外界温度等环境因素变化的条件下可以改变自身形状并具有可逆变化的一类金属材料。通俗地说，就是一种对形状具有记忆能力（即形状记忆效应）的合金金属。形状记忆合金(SMA)作为一种功能性材料，它集感知和驱动为一体，输入热量即可以对外做功，因此被作为一种重要的智能材料而应用于当前迅速发展的智能材料结构系统的研究中。形状记忆合金最显著的特征就是形状记忆效应和超弹性。此外，它还具有高阻尼、高回复力和感知与驱动等特性。这些特性与合金的热弹性马氏体相变紧密相关。形状记忆合金所呈现的特征主要与四个相变的特征温度有关：马氏体相变开始温度Ms及结束温度Mf、奥氏体相变开始温度As及结束温度Af,如图1所示。图1 马氏体相变的特征温度图3.1形状记忆效应一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服后，产生塑性变形，当外力撤除后就会留下永久变形。而形状记忆合金(SMA)材料，在产生塑性变形以后，若加热升温到某一确定温度后，能够恢复到受力前的形状，它是SMA最显著的特性。形状记忆合金的形状记忆效应是在马氏体相变中发现的，通常把马氏体相变中的高温相叫做母相或奥氏体相，低温相叫做马氏体相，从母相到马氏体相的相变叫做马氏体正相变，或叫马氏体相变，从马氏体相到母相的相变叫做马氏体逆相变。形状记忆效应是指具有热弹性马氏体相变的材料能记忆它在高温奥氏体下的形状。当环境温度T1)。 (3)两个“剪刀臂”内侧分别安装一块固定挡板,以阻止其向耗能装置内侧移动。 (4)该种耗能器的工作原理为:活动钢板通过斜撑与本层框架顶部相连,当结构在地震作用下发生振动时,活动钢板随结构斜撑一起水平移动并与结构层间变形相等(忽略斜撑变形)。当活动钢板随结构向左振动,则带动左侧的“剪刀柄”一起向左移动,同时带动了右侧“剪刀臂”向右移动,而此时,左侧“剪刀臂”被固定挡板挡住,同时右侧“剪刀柄”也固定不动;因此固定在“剪刀臂”一侧的NiTi丝产生拉伸变形。由于“剪刀臂”的设计长度取为“剪刀柄”长度的L倍,此时右侧“剪刀臂”向右移动的距离恰为结构层间变形的L倍,亦即此时NiTi丝的伸长变形为结构层间位移的L倍。当结构随地震作用向右振动时,NiTi丝的伸长变形自动回复并重复上述工作过程。 (5)该种耗能器的优点为:NiTi丝的伸长变形是结构层间位移的若干倍(大于1),因此,当结构层间位移较小时,仍能保证NiTi丝有较大的变形量,从而充分发挥NiTi丝的大变形能力,消耗更多的地震能量,实现较好的减振效果。此外,利用杠杆原理,该种耗能器为结构提供的控制力是NiTi丝拉力的L倍,从而在结构上安装较少的合金丝也能达到较好的控制效果,并使耗能器的设计更方便。 (6)该种耗能器向结构提供的控制力的滞回模型如图5(b)所示。 图6剪力型SMA耗能器7.形状记忆合金在建筑结构抗震方面的应用前景形状记忆合会因其独特而优异的形状记忆效应和超弹性效应使得其研究与应用发展十分迅速。由形状记忆合金制作的器件和系统已经广泛地应用于航空航天、仪器仪表、自动控制、能源、机器人、医学和土木工程等领域。在土木工程结构控制领域中研制的形状记忆合金(SMA)振动控制装置主要有两类：一类是形状记忆合金(SMA)驱动器，一类则是形状记忆合金(SMA)被动阻尼器。前者利用形状记忆合金(SMA)的形状记忆效应，形状记忆合金(SMA)材料一般处于拉伸状态；后者利用形状记忆合金(SMA)的超弹性特性，形状记忆合金(SMA)材料可以处于拉伸状态，也可以处于剪切状态。Graesser和Gozzarellls用形状记忆合金(SMA)的超弹性提出了自复位形状记忆合金(SMA)隔震体系，并研究了形状记忆合金(SMA)隔震器的力学模型。结构隔震计算表明，形状记忆合金(SMA)隔震器比橡胶隔震垫的隔震效果更好。witting和cozzarelh进行了棒型形状记忆合金(SMA)阻尼器控制框架结构地震反应的试验，并与粘弹性阻尼器的减震效果进行了对比。结果表明，该耗能器可有效地减小模型结构在不同地震作用下的反应，但其减震效果略低于粘弹性阻尼器。Higashino等研制了预拉伸丝超弹性形状记忆合金(SMA)阻尼器，制作了四个参数各不相同的这种形状记忆合金(SMA)阻尼器，并从加载频率、温度等方面进行了性能试验，对一装有这种形状记忆合金(SMA)阻尼器的六层框架进行了结构试验。耗能器安装在结构层间，控制结构层间变形，从而达到消耗地震能量的目的。王社良3等提出了利用形状记忆合金(SMA)独特的超弹性性能被动控制建筑结构地震响应的力学分析和计算模型，并进行了试验研究。试验中的形状记忆合金(SMA)拉索被动控制方案把预应力的概念和形状记忆合金材料的相变伪弹性性能结合起来，通过在工作前对所有形状记忆合金(SMA)拉索进行合理的预拉以避免拉索在结构地震响应过程中出现压屈松弛现象。通过对一个三层框架有控结构与无控结构的地震响应进行分析，检验了形状记忆合会(SMA)被动拉索的控制效果，探讨了其控制机理和规律。研究结果表明，形状记忆合会(SMA)被动拉索可以有效地减小和抑制结构的地震响应，并且提出拉索的初始工作长度和工作温度对控制效果影响明显，应进行合理的参数设计。韩玉林等介绍了形状记忆合金的一种本构关系，讨论了形状记忆合会(SMA)耗能器的工作原理，设计和制造了一种用于框架结构振动控制的形状记忆台会(SMA)耗能器，并将该种耗能器安装在两层框架结构模型上进行了振动试验。结果表明其耗能效果明显，并可以显著改变框架结构的固有频率。Adaehi和unjoh用形状记忆合金(SMA)的形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼特性，设计了一种形状记忆合会(SMA)板弹簧阻尼器用于桥梁结构的隔震，研究表明，该阻尼器常温下处于马氏体状态的形状记忆合金形状记忆合金(SMA)阻尼器不仅能耗能，而且在振动结束后能利用形状记忆合金(SMA)的形状记忆效应使桥梁结构复位。Reginald ocsRoches提出了用“智能”限位器形状记忆合金(SMA)限位器来取代传统的限位器，以提高桥梁抗震性能，减小桥梁结构的地震灾害，形状记忆合金(SMA)限位器设置在多框架桥梁的中间伸缩缝处，形状记忆合会(SMA)限位器有如下三种作用：1) 限制框架之问的相对位移，防止在伸缩缝处框架移位引起落梁的发生；2) 减小框架之间的桥梁碰撞造成的梁体损坏；3) 把破坏和能量耗散集中在形状记忆合会(SMA)限位器上从而可以降低多框架桥梁中对单榻框架的要求。分析研究表明，形状记忆台会(SMA)限位器作为一种被动阻尼器，能有效的减小框架之间的相对位移，减少梁体的碰撞破坏，而且能够适应更广泛的地面运动和桥梁类型。Higasino和Aizawa等利用形状记忆合余(SMA)的超弹性效应制成耗能器，并研究了这种被动式耗能器的减震性能。对一个安装了这种耗能器的6层结构进行了减震试验，耗能器安装在结构层间，用以感受层间变形。试验结果表明，该耗能器性能良好，对外界温度适应性也好，结构位移得到了明显控制，结构柱子的水平剪力明显减小但加速度有时会被放大。Attanasio，Faravelli和Marioni利用形状记忆合金(SMA)的良好的阻尼特性制成耗能器，用于桥梁的隔震。形状记忆合金(SMA)耗能器工作时发生塑性变形，耗散振动能量。振动结束后，可以加热形状记忆合金(SMA)，利用形状记忆合金(SMA)的回复力使桥梁复位。wilde，Gardoni和Fuiin。因从理论和试验两方面研究了形状记忆合金(SMA)用作基础隔震阻尼装霞的可行性，并利用形状记忆合会(SMA)的超弹性效应，设计了一种由叠层橡胶支座和形状记忆台金(SMA)阻尼器组成的智能隔震系统，利用形状记忆台会(SMA)在不同应变下反应的不同来控制在不同激励下橡胶支座的位移。通过一个3层框架的试验，比较了形状记忆合金(SMA)智能基础隔震、叠层橡胶支座隔震、铅芯叠层橡胶支座隔震和无隔震时的地震响应。Wilde和zheng等基于形状记忆合会(SMA)的超弹性效应，对一个形状记忆合金(SMA)杆进行了拉压和弯曲试验，比较了两种不同热处理后的形状记忆合会(SMA)杆在不同大小循环荷载下的试验结果，结果表明，一种形状记忆合金(SMA)杆(热处理：400C6005+wQ)的弯曲残余位移比另一种形状记忆台金(SMA)杆(热处理：400C 1 8005+wQ)小，且滞回曲线更稳定。从形状记忆合金(SMA)材料的发现到现在为止，由于材料技术和加工技术等方面的原因，形状记忆合金(SMA)材料具体在建筑结构振动控制中的应用研究还很少，目前的形状记忆合金(SMA)材料性能和造价使得在建筑结构上实现这些应用还有一定难度，还需要进行大量的应用研究。8. 形状记忆合金的发展趋势1）铁基形状记忆合金。因其很好的可加工性和低廉的价格而备受关注.最近的研究工作包括相变机制和影响因素,主要是通过选择合适的合金成分配比和摸索恰当的制备工艺提高和改善Fe-Mn-Si系合金性能5。 2）高温形状记忆合金。Ni-Ti和Cu-Zn-Al合金都只能在100以下使用。但在相当多的情况下，如防火装置，汽车发动机的记忆合金元件的工作温度均超过100。在核反应堆工程中，记忆合金热动元件的动作温度高达600，因而研制高温形状记忆合金就成为一个主要发展方向。高温用形状记忆合金在热驱动器、继电器及核工业等高温领域具有非常广阔的应用前景4。3）磁性形状记忆合金。磁性形状记忆合金可以在磁场的作用下输出较大应变，同时将记忆合金的工作频率从温控状态的1Hz左右(Ti-Ni记忆合金薄膜的热驱动工作频率最高可达100Hz),提高到磁控状态下的300Hz以上。利用磁驱动记忆合金的这些功能特性,制成的传感和驱动元件在石油、电子和航空航