新型材料—形状记忆合金阻尼器SMA的减振技术和工程应用PPT学习教案

1、会计学1新型材料新型材料形状记忆合金阻尼器形状记忆合金阻尼器SMA的的减振技术和工程应用减振技术和工程应用第1页/共38页第2页/共38页第3页/共38页第4页/共38页第5页/共38页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。形状记忆合金最显著的特征就是形状记忆效应和超弹性 。第6页/共38页英文标题英文标题:XXXXXXXXXX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：第7页/共38页3.13.1形状记忆效应形状记

2、忆效应形状记忆合金的形状记忆效应是在马氏体相变中发现的。母相或奥氏体相（高温相）马氏体相（低温相）正相正相变变逆相逆相变变第8页/共38页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TAf时，在外应力作用下，产生了一定的残余变形，但在加热到Af以上，残余应变消失，材料能恢复到加载前的形状和体积。形状记忆效应主要是由于热诱发马氏体相变而引起的。 第9页/共38页 图图2 2给出了处于马氏体状态下的形状给出了处于马氏体状态下的形状记忆合金和普通金属材料的应力应变曲记忆合金和普通金属材料的应力应变曲线：线：a) a) 普通金属材普通金属材料料 b)b)形状记忆合

3、金形状记忆合金 图图2 2 形状记忆合金与普通金属拉伸曲线对比形状记忆合金与普通金属拉伸曲线对比第10页/共38页3.23.2超弹性性质超弹性性质形状记忆合金形状记忆合金(SMA)(SMA)材料的相变超弹性是指在材料的相变超弹性是指在产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金中，当温产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金中，当温度度TTAfAf且加载应力超过弹性极限，即产生非弹且加载应力超过弹性极限，即产生非弹性应变后，继续加载将产生应力诱发的马氏体相性应变后，继续加载将产生应力诱发的马氏体相变，并且这种相变产生的马氏体只有在应力作用变，并且这种相变产生的马氏体只有在应力作用下才能稳定地存在。下才能稳定地

4、存在。超弹性效应主要是由于应力诱发马氏体相变的超弹性效应主要是由于应力诱发马氏体相变的不稳定而引起的。不稳定而引起的。第11页/共38页图图3 3为简化的形状记忆合金为简化的形状记忆合金(SMA)(SMA)超弹性超弹性相变模型图。相变模型图。 图图3 3 简化的简化的SMASMA超弹性本构关系超弹性本构关系由图可看到理想的形状记忆合金(SMA)超弹性相变过程：B点以前的变形是由母相的弹性变形引起的；从B点到C点的应变增量是由于应力诱发的马氏体相变所致；第12页/共38页图图3 3 简化的简化的SMASMA超弹性本构关系超弹性本构关系卸载时，试样受到的应变首先是弹性恢复到卸载时，试样受到的应变首

5、先是弹性恢复到E E点，然后点，然后再通过马氏体逆相变恢复到再通过马氏体逆相变恢复到A A点附近，最后通过母相的点附近，最后通过母相的弹性应变恢复为零。弹性应变恢复为零。 在在C C点，试样中的奥点，试样中的奥氏体几乎已经全部转氏体几乎已经全部转变为马氏体单晶，所变为马氏体单晶，所以从以从C C点到点到D D点的变形点的变形原则上是由马氏体相原则上是由马氏体相的弹性变形所引起的；的弹性变形所引起的；第13页/共38页实际上，形状记忆合金实际上，形状记忆合金(SMA)(SMA)的相变伪弹性效的相变伪弹性效应与形状记忆效应在本质上是同一个现象，区别应与形状记忆效应在本质上是同一个现象，区别仅仅在于

6、相变伪弹性是在应力解除时产生的马氏仅仅在于相变伪弹性是在应力解除时产生的马氏体逆相变使材料恢复到母相状态。体逆相变使材料恢复到母相状态。因此，能够产生热弹性马氏体相变的大部分合因此，能够产生热弹性马氏体相变的大部分合金事实上都具有形状记忆效应和相变伪弹性性能。金事实上都具有形状记忆效应和相变伪弹性性能。 第14页/共38页4.4.形状记忆合金超弹性的应用形状记忆合金超弹性的应用相变超弹性效应只能在Af以上的某一温度范围内出现因此应用该效应时对环境温度或材料的温度有一定的要求。目前，相变伪弹性效应在土木工程领域中的应用研究主要表现为： (1)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金与隔震装置相结合；(

7、2)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金制成各种耗能器 ；第15页/共38页(3)(3)使用一个简单的恒温控制器将奥氏体状态下的形使用一个简单的恒温控制器将奥氏体状态下的形状记忆合金的温度控制在某一特定的温度上并使其状记忆合金的温度控制在某一特定的温度上并使其产生一定的预应变产生一定的预应变 ；(4)(4)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金与结构的将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金与结构的离散点相联接离散点相联接 ；(5)(5)利用形状记忆合金制成被动耗能器；利用形状记忆合金制成被动耗能器；(6)(6)在常温下将形状记忆合金丝预加载至弹性极限附在常温下将形状记忆合金丝预加载至弹性极限附近，然后随

8、同其他建筑材料一同植入基材内。近，然后随同其他建筑材料一同植入基材内。 第16页/共38页5.5.形状记忆合金的本构模型形状记忆合金的本构模型 5.1Tanaka5.1Tanaka模型模型(1)(1)本构模型本构模型SMASMA的一维本构方程如下的一维本构方程如下: : 0000TTE(2)(2)相变方程相变方程第17页/共38页当发生马氏体相变时，即：奥氏体相当发生马氏体相变时，即：奥氏体相AA马马氏体相氏体相MM转变时转变时 MsMbTMae1当发生奥氏体相变时，即：马氏体相当发生奥氏体相变时，即：马氏体相MM奥奥氏体相氏体相A A转变时转变时AsMbTAae第18页/共38页5.2 Li

9、ang and Rogers5.2 Liang and Rogers模模型型(1)(1)本构方程本构方程本构方程同本构方程同TanakaTanaka模型的本构方程式。模型的本构方程式。(2)(2)相变方程相变方程 Liang Liang 和和 RogersRogers对对TanakaTanaka模型进行了改模型进行了改进，主要体现在马氏体相变动力学方程，提出内变进，主要体现在马氏体相变动力学方程，提出内变量（马氏体相变体积分数）和温度、应力之间呈余量（马氏体相变体积分数）和温度、应力之间呈余弦关系，相变方程采用余弦函数。同时还考虑了内弦关系，相变方程采用余弦函数。同时还考虑了内变量在发生马氏体

10、相变和奥氏体相变时初始条件的变量在发生马氏体相变和奥氏体相变时初始条件的影响：影响：第19页/共38页当发生马氏体相变时，即：奥氏体相当发生马氏体相变时，即：奥氏体相AA马马氏体相氏体相MM转变时转变时21cos21AMfMAbMTa当发生奥氏体相变时，即：马氏体相当发生奥氏体相变时，即：马氏体相MM奥奥氏体相氏体相A A转变时转变时1cos2AsAMbATa第20页/共38页5.3 Brinson5.3 Brinson模型模型(1)(1)本构方程本构方程在Tanaka和Liang等提出的本构模型中，不能解决低温时马氏体相的重取向问题，针对这一不足，Brinson把马氏体相变体积数 分成两部分

11、，其中一部分为温度变化诱发的马氏体相变数 ，另一部分则由应力变化诱发的马氏体相变数 :Ts 000000ssTTEETs第21页/共38页(2)(2)相变方程相变方程当发生马氏体相变时，即：奥氏体相当发生马氏体相变时，即：奥氏体相AA马马氏体相氏体相MM转变时转变时 21cos2100ssMMfMfMsssMTc00001sssTTT第22页/共38页当发生奥氏体相变时，即：马氏体相当发生奥氏体相变时，即：马氏体相MM奥奥氏体相氏体相A A转变时转变时1cos20AsAcATa0000sss0000TTT第23页/共38页5.4 5.4 简化的本构模型简化的本构模型根据SMA处于弹性状态时应力

12、诱发马氏体相变变化规律将SMA本构模型进一步简化。 (1)(1)本构方程本构方程tE加载时加载时 卸载时卸载时 tLttuLt第24页/共38页(2)(2)相变方程相变方程在直线在直线OABOAB段（奥氏体状态）段（奥氏体状态） 在直线在直线DCEDCE段（马氏体状态）段（马氏体状态） 在直线在直线BCBC段（奥氏体状态向段（奥氏体状态向马氏体转变状态）马氏体转变状态） 在直线在直线EAEA段（马氏体向奥氏段（马氏体向奥氏体转变状态）体转变状态） 01tLMstALuf第25页/共38页 在目前国内生产的在目前国内生产的NiTiNiTi产品中产品中, ,丝材是最常见的丝材是最常见的产品形式产品

13、形式, ,而且丝材的性能比较稳定。针对这种情况而且丝材的性能比较稳定。针对这种情况, ,本文利用形状记忆合金丝的超弹性特性本文利用形状记忆合金丝的超弹性特性, ,研制了两种研制了两种新型被动耗能器新型被动耗能器, ,分别称为拉伸型分别称为拉伸型SMASMA耗能器和剪刀耗能器和剪刀型型SMASMA耗能器耗能器, ,安装在结构层间使安装在结构层间使NiTiNiTi丝随结构振动丝随结构振动产生拉伸弹塑性变形产生拉伸弹塑性变形, ,消耗结构在地震作用下的振动消耗结构在地震作用下的振动能量能量, ,从而减小结构的振动。从而减小结构的振动。 第26页/共38页(1)(1)该耗能器由一根该耗能器由一根NiT

14、iNiTi丝、一块丝、一块T T形钢板、两形钢板、两块可动钢挡板、四块固定挡板组成块可动钢挡板、四块固定挡板组成, ,其中其中T T形钢板形钢板上方通过焊接斜撑与结构相连。上方通过焊接斜撑与结构相连。 图图4 4 拉伸型拉伸型SMASMA耗能器耗能器第27页/共38页(2)T(2)T形钢板左右两端有两块垂直放置的可动挡形钢板左右两端有两块垂直放置的可动挡板板,NiTi,NiTi丝纵向穿过丝纵向穿过T T形钢板及两端的可动挡板并形钢板及两端的可动挡板并在板的另一侧用夹具锚固在板的另一侧用夹具锚固, ,这样这样, ,可动挡板通过可动挡板通过NiTiNiTi丝的连接紧紧顶在丝的连接紧紧顶在T T形钢

15、板的左右两端。形钢板的左右两端。(3)(3)在在T T形钢板的前后两侧还各有两块固定挡板形钢板的前后两侧还各有两块固定挡板, ,该固定挡板固定在结构本层楼板上该固定挡板固定在结构本层楼板上, ,其具体位置见其具体位置见图图, ,图中画斜线的部分为固定挡板。图中画斜线的部分为固定挡板。(4)(4)该耗能器的工作原理为该耗能器的工作原理为:T:T形钢板通过斜撑与形钢板通过斜撑与本层框架顶部相连本层框架顶部相连, ,当结构在地震作用下产生层间当结构在地震作用下产生层间变形时变形时,T,T形钢板的水平移动与结构的层间位移相形钢板的水平移动与结构的层间位移相等等( (忽略斜撑变形忽略斜撑变形) )。 第

16、28页/共38页(1)(1)该耗能器由两块可移动挡板、两块固定挡板、该耗能器由两块可移动挡板、两块固定挡板、固定转轴、一根或多根固定转轴、一根或多根NiTiNiTi丝及一块与结构斜丝及一块与结构斜撑相连的活动钢板组成。撑相连的活动钢板组成。 拉伸型SMA耗能器图图5 5 剪力型剪力型SMASMA耗能器耗能器第29页/共38页(2)(2)该种耗能器的工作原理类似一把该种耗能器的工作原理类似一把“剪刀剪刀”。两块可动挡板通过固定转轴联结两块可动挡板通过固定转轴联结, ,组成两个组成两个“剪刀剪刀臂臂”。在固定转轴的一侧。在固定转轴的一侧, ,两个两个“剪刀臂剪刀臂”由一根由一根NiTiNiTi丝联

17、结。丝联结。(3)(3)两个两个“剪刀臂剪刀臂”内侧分别安装一块固定挡板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。以阻止其向耗能装置内侧移动。(4)(4)该种耗能器的工作原理为该种耗能器的工作原理为: :活动钢板通过斜撑活动钢板通过斜撑与本层框架顶部相连与本层框架顶部相连, ,当结构在地震作用下发生振当结构在地震作用下发生振动时动时, ,活动钢板随结构斜撑一起水平移动并与结构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层间变形相等( (忽略斜撑变形忽略斜撑变形) )。 第30页/共38页7.7.形状记忆合金在建筑结构抗形状记忆合金在建筑结构抗震方面的应用前景震方面的应用前

18、景形状记忆合金形状记忆合金(SMA)(SMA)振动控制装置振动控制装置形状记忆合金(SMA)驱动器 形状记忆合金(SMA)被动阻尼器 第31页/共38页前者利用形状记忆合金前者利用形状记忆合金(SMA)(SMA)的形状记忆效应，的形状记忆效应，形状记忆合金形状记忆合金(SMA)(SMA)材料一般处于拉伸状态材料一般处于拉伸状态; ;后者利用形状记忆合金后者利用形状记忆合金(SMA)(SMA)的超弹性特性，的超弹性特性，形状记忆合金形状记忆合金(SMA)(SMA)材料可以处于拉伸状态，也材料可以处于拉伸状态，也可以处于剪切状态。可以处于剪切状态。 工程应用工程应用GraesserGraesser

19、和和GozzarelllsGozzarellls用形状记忆合金用形状记忆合金(SMA)(SMA)的超弹性提出了自复位形状记忆合金的超弹性提出了自复位形状记忆合金(SMA)(SMA)隔震体隔震体系，并研究了形状记忆合金系，并研究了形状记忆合金(SMA)(SMA)隔震器的力学模隔震器的力学模型；型；第32页/共38页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； 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；李惠和毛晨曦研制了拉伸型形状记忆合金(SMA)阻尼器；王社良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。 第33页/共38页8. 8. 形状记忆合金的发展趋势形状记忆合金的发展趋势1 1）铁基形状记忆合金；）铁基形状记忆合金；2 2）高温形状记忆合金；）高温形状记忆合金； 3 3）磁性形状记忆合金；）磁性形状记忆合金； 除以上所述外，正在研究的还有宽滞后形状记忆合除以上所述外，正在研究的还有宽滞后形状记忆合金、窄滞后形状记忆合金、形状记忆合金薄膜、高金、窄滞后形状记忆合金、形状记忆合金薄膜、高屈