一种新型形状记忆合金阻尼器性能分析

一种新型形状记忆合金阻尼器性能分析

形状记忆合金的超弹性小型存储（sma）是一种新型功能材料。它具有形状存储、超弹性和耐磁性性能，以及耐腐蚀性、抗疲劳和对温度敏感等性能。超弹性是指当材料温度超过马氏体逆相变终了温度Af(完全奥氏体状态)且加载应力超过弹性极限(即产生非弹性应变),应力除去后变形即行消失,应力应变关系表现出明显的非线性,且应力为0时应变也恢复到0,呈现出迟滞循环效应。形状记忆合金的超弹性性质同其它普通金属材料加-卸载循环相比有许多优点:首先,形状记忆合金超弹性的疲劳特性很好,而其它材料循环中不可避免地出现损伤,影响寿命;其次,形状记忆合金可恢复应变值很大(6%～8%),是通常金属材料难以实现的;最后由于奥氏体弹性模量大于马氏体弹性模量,形状记忆合金弹性模量随温度升高而增大(同普通金属相反),这使其在较高温度下仍保持高弹性模量。在小震情况下,形状记忆合金的弹性性质和普通金属相似,在大震时,形状记忆合金表现出超弹性大变形能力,有效地消耗地震能量,并可利用其记忆效应使变形恢复,所以形状记忆合金阻尼器适合于结构的振动控制。因此,根据这些特性可研制出性能良好的用于限位和耗能的形状记忆合金阻尼器。锥形形状记忆合金阻尼器是在X形钢板阻尼器基础上提出的一种新型阻尼器,它能耗散各个方向的振动能量,并且形状记忆合金具有形状记忆、超弹性、耐腐蚀、耐疲劳等性能,因此非常适合于海洋平台等环境比较恶劣的结构耗能减振。1悬臂柱阻尼力分析锥形形状记忆合金阻尼器如图1(a)所示,主要应用于海洋平台结构的隔振层之间,它的力学模型相当于一端固定、一端滑动支撑。由结构力学其计算模型可简化为半高柱悬臂梁,如图1(b)所示。由于阻尼器为锥形,所以沿轴方向为变截面,其阻尼力分析和计算步骤如下:(1)沿高度划分成n段,每段的厚度为t;(2)求出各个截面的弯矩-曲率曲线,第i个截面的弯矩-曲率曲线为Ci;(3)在悬臂柱端加水平力P,可得出第i个截面的弯矩Mi,根据各个截面的弯矩-曲率曲线Ci,由Mi就可求出各个截面的曲率ϕi;(4)由各个截面的曲率ϕi就可求出顶端位移δ‚δ=∑i=1niϕit2δ‚δ=∑i=1niϕit2。2测试结果及分析形状记忆合金阻尼器材料比较昂贵,且为了以后进行海洋平台模型试验,因此设计制作了尺寸较小的阻尼器用于性能试验。形状记忆合金阻尼器材料比较昂贵,因此足尺锥形形状记忆合金阻尼器可采用空心结构,这样既节约材料,又能更好地发挥材料的超弹性性能。按上述分析原理编制非线性有限元程序进行数值分析。由于形状记忆合金处于超弹性,超弹性本构关系可简化为应力应变分段线性模型,如图2所示。由于钛镍合金的化学成份不同,则性能大不相同,因此本文采用西安赛特金属材料开发有限公司提供的数据,形状记忆合金材料为Ti-50.8at%Ni(Ni原子分数为50.8%),本构模型如图3所示。我们将按此本构关系设计锥形形状记忆合金阻尼器。试验中所用的材料均是该公司提供的。设计锥形形状记忆合金阻尼器如图4所示。形状记忆合金阻尼器D为1.2cm,高H为10cm,中部B为0.8cm。采用图3所示的形状记忆合金本构关系,编制有限元程序,计算图4(a)所示的锥形形状记忆合金阻尼器的滞回曲线,所得的滞回曲线见图4(b)。从图4(b)可以看出,锥形形状记忆合金阻尼器的滞回曲线形状也近似是双旗形,滞回环所包围面积比较饱满,耗能能力较强。为了便于编制耗能结构的时程分析程序,图4(b)所示滞回曲线可简化为分段线性滞回模型(如图4(c)所示),采用最小二乘法拟合,简化后第一刚度k1为7.487kN/cm,第二刚度系数α为0.1396,屈服位移xy为0.4508cm,屈服力Fy为3.375kN,F0为0.552kN。为了检验我们自行编制的程序的正确性,我们采用大型通用有限元程序ANSYS计算了图4(c)所示的阻尼力简化模型的参数,单元选用solid187实体单元,所得结果列于表1中。从表1中可以看出,编制的程序是可行的,可看出锥形形状记忆合金阻尼器在横向位移达到最大位移xmax2.2cm时,阻尼器的最大应变εmax为6%(ANSYS程序计算的最大应变为4.2%),没有超出可恢复弹性应变8%。3性能试验试验我们进行的形状记忆合金材料及阻尼器性能试验包括形状记忆合金丝的本构关系试验、疲劳试验以及小模型锥形形状记忆合金阻尼器的滞回特性试验和疲劳试验。3.1尼隔振试验结果进行丝材试验的目的是确定国产形状记忆合金的本构关系,研究国产形状记忆合金的疲劳特性。丝材试件长100mm,直径1mm,6个试件。试验在哈尔滨工业大学材料学院MTS试验机上进行。由于试验方不能提供应变控制,故对丝材进行位移控制:1mm则对应1%的应变,2mm对应2%的应变,依此类推。疲劳加载方式为:零-拉疲劳;加载频率取海洋平台阻尼隔振试验模型的基频1.6Hz,此目的为以后进行海洋平台模型试验提供数据;加载波形为三角波;破坏准则为试件断裂。试验过程中,先对丝材进行训练20圈,得出其本构关系曲线,也使其达到稳定状态。试验结果如表2所示。图5为形状记忆合金丝材应变为6%的本构关系曲线。从试验结果的本构曲线(图5(a))可看出,屈服应变为1.5%左右,残余应变在0.5%以内,在较高的频率1.6Hz下,本构曲线比较狭长,表现出较差的耗能能力。由图5可看出,在最初的几圈内表现出较好的超弹性。随着循环次数的增加,形状记忆合金的迟滞环逐渐缩小,并且残余应变也逐渐增大,最终达到1%,但此应变值也是很小的。在接近最终断裂的几周内,形状记忆合金仍表现出超弹性,这说明该材料的疲劳断裂并非是由于循环载荷的作用使形状记忆合金的超弹性能恶化、变成一种“普通金属材料”而发生断裂,而是在某一局部的损伤达到一定程度后在该部位突发断裂,其它部位仍然保持良好的超弹性。因此总体上的应力应变曲线仍然表现出良好的超弹性,具有很好的自恢复能力。由表2可知,应变幅值越小,则寿命越长,这和其它金属疲劳的一般规律相同,但是与国外同类产品相比,相差较大。3.2形状记忆合金阻尼器的疲劳性能形状记忆合金阻尼器见图6(a)。其中连接板采用的是钢箍,通过热胀冷缩方法来箍住阻尼器的上下两端,这样可降低造价。性能试验装置见图6(b),照片见图6(c),阻尼力性能试验曲线见图7(a)。采用图5所示材料的试验本构曲线,考虑残余变形自编程序计算得到的该阻尼器的阻尼力曲线见图7(b)。采用同样的试验本构曲线,用ANSYS程序计算所得的曲线见图7(c)。从图中可看出,数值分析和试验滞回曲线吻合较好,其中ANSYS程序计算所得的最大阻尼力和试验结果比较接近,自编程序计算所得的最大阻尼力的数值比试验结果稍小一些,主要原因是网格划分较粗,误差较大。由于ANSYS程序没有考虑残余应变,因此属于理想超弹性,没有残余应变。由图7可知,此锥形形状记忆合金阻尼器的耗能能力较差,不能作为理想的耗能装置。由图5和图7对比可知,与丝材相比棒材形状记忆合金的等效阻尼比小,在较高的频率(1.6Hz)下会导致较窄的滞回环,耗能能力较低,这是因为超弹性是应力引发相变,频率高,不能充分完成相变。但由滞回曲线可知,形状记忆合金仍具有很好的自恢复能力,可作为适用于海洋平台的耗能限位装置。为了考察锥形形状记忆合金阻尼器的疲劳性能,我们还进行了疲劳试验,疲劳加载方式同丝材。试验过程中,先对阻尼器训练10圈,使其达到稳定状态。疲劳试验曲线见图8。位移幅值20mm时,形状记忆合金阻尼器(记为试件1)的疲劳寿命为65圈(图8(a)),试件是先中间断裂,然后根部断裂。10mm时其(记为试件2)疲劳寿命为868圈(图8(b)),试件是根部断裂。试验结果说明阻尼器在大应变情况下,疲劳寿命较低。由图8可以看出,直到最后几圈断裂,形状记忆合金阻尼器仍表现出良好的超弹性。但是阻尼器与丝材相比疲劳寿命比较低,说明锥形形状记忆合金阻尼器本身可能有缺陷,生产棒材形状记忆合金阻尼器的工艺还不够成熟,因此国产形状记忆合金材料的质量和加工工艺都还有待进一步完善。4橡胶阻尼器的结构性能本文对一种新型形状记忆合金阻尼器——锥形形状记忆合金阻尼器的性能(包括滞回性能和疲劳性能)进行了试验研究和数值分析。研究结果表明:(1)虽然锥形形状记忆合金阻尼器耗能能力有限,但是在大变形条件下的残余应变很小,因此作为橡胶隔振器的限位器时,能使结构回复到原位。(