形状记忆合金拉压型超弹性阻尼器的研制

形状记忆合金拉压型超弹性阻尼器的研制

1结构的弹性特性自1972年j.g.p.yao教授提出土木工程结构振动控制概念以来，结构振动控制在理论上得到了极大的发展。结构消能减振(震)技术是一种结构控制技术,是把结构的某些非承重构件(如支撑、剪力墙、连接件等)设计成消能杆件,或在结构的某些部位(层间空间、节点、连接缝等)安装消能装置,在小风或小震时,这些消能杆件(或消能装置)和结构本身具有足够的侧向刚度以满足使用要求,结构处于弹性状态;当出现大震或大风时,随着结构侧向变形的增大,消能构件或消能装置率先开始工作,产生较大阻尼,大量消耗输入结构的地震或风振能量,使结构的动能或者弹性势能等能量转化成热能等形式耗散掉,迅速衰减结构的地震或风振反应(位移、速度、加速度等),使主体结构避免出现明显的非弹性状态,保护主体结构及构件在强震或大风中免遭破坏。形状记忆合金的超弹性效应是一种特殊的滞回耗能性能,它与普通材料相比具有许多优点:较好的抗腐蚀能力、抗疲劳效应、较大的可恢复应变(达6%～8%)、在工程应用的温度和频率区间具有稳定的力学性能等等。根据这些特性可研制出性能良好的减振装置,部分替代常规的阻尼器,弥补常规阻尼器在工程应用中的一些不足。形状记忆合金超弹性阻尼器的研制主要解决工程结构用的形状记忆合金超弹性材料的选择以及形状记忆合金丝缆与构件的有效联结。东南大学土木工程学院在国家自然科学基金项目的资助下,与江阴法尔胜股份有限公司和南京液压机械制造厂等单位合作,自2001年开始着手围绕这两个方面进行了系统、深入的研究,研制出了形状记忆合金拉压型超弹性阻尼器,目前该产品正申报国家专利。2金拉压超弹性阻尼器的结构和工作原理2.1niti形状记忆合金超弹性丝缆预变形控制原理我们研制的形状记忆合金拉压型超弹性阻尼器主要由缸筒、导杆、活塞以及NiTi形状记忆合金超弹性丝缆等部分组成。NiTi形状记忆合金超弹性丝缆通过调节螺杆和螺母与前、后缸盖可靠连接,通过调节螺杆上的螺母可以对形状记忆合金丝缆施加预变形。通过活塞上的开槽平端紧固螺钉将对形状记忆合金丝缆固定在缸体的中部位置。用螺母将活塞固定在导杆上。NiTi形状记忆合金丝缆沿缸体圆周均匀布置。所有的形状记忆合金超弹性丝缆都预变形到超弹性平台的中点位置。2.2阻尼器的工作原理形状记忆合金拉压型超弹性阻尼器的工作原理是在地震(或风)的作用下通过导杆受力,推动缸筒中的活塞作往复运动,使活塞两边的NiTi形状记忆合金超弹性丝缆产生拉伸或者压缩,产生超弹性阻尼,提供饱满的迟滞环和稳定的阻尼力,达到消能减振的目的。阻尼器工作的时候,导杆受力,缸筒和活塞发生相对运动,活塞两侧的形状记忆合金丝缆一侧被拉伸,另一侧收缩,形状记忆合金丝缆的拉应力也相应地增大或减小。在这种情况下,一侧形状记忆合金丝缆应力增大,继续发生马氏体相变,另一侧形状记忆合金丝缆应力减小,发生马氏体逆相变。两侧形状记忆合金丝缆类似于相互作用的两组弹簧,在加载的时候共同工作。选取的NiTi丝缆的化学成分为:Ni49.8,Ti50.2(原子分数%),随机抽取样品进行DSC测试,并根据美国标准F2063-00选定母材的相变温度如表1所示。3试验温度的控制试验在江阴法尔胜集团检测中心的INSTRON5569万能电子拉力机上进行。室温为25℃,试验温度的控制是通过试验机上的温控箱,用液氮制冷。实验过程中,按照试验方法采用等位移加载,由计算机自动控制,试验结果由计算机每隔50毫秒自动采集一次。4阻尼器的力-位移关系有关文献表明对形状记忆合金阻尼器中NiTi丝缆施加初始预变形可以获得不同的迟滞循环行为。图3为未施加预变形时形状记忆合金拉压型超弹性阻尼器的力-位移关系曲线,加载速率为30mm/min。(a)为1.5mm、3mm、4.5mm、6mm、7.5mm、9mm六个位移下的阻尼器的力-位移关系曲线,阻尼器中NiTi丝缆的应变相应为1%,2%,3%,4%,5%,6%。(b)为9mm位移10个循环下阻尼器的力-位移关系曲线。从图上可以看出未施加预变形阻尼器的力-位移曲线主要分布在一、三象限,呈小旗帜形状,与形状记忆合金的恢复力模型相似。有关文献表明,施加预变形到超弹性平台的中点位置,阻尼器可以获得较为饱满的迟滞环和稳定的阻尼力。图4为3%预变形即初始位移为4.5mm时,1.5mm、3mm、4.5mm、6mm、7.5mm五个位移下的阻尼器的力-位移关系曲线,加载速率为30mm/min。从图上可以看出,随着位移幅值的增加,阻尼器的等效刚度逐渐减小,等效阻尼比逐渐线性增大。有关文献表明加载速率影响阻尼器的力学性能。图5为3%预变形,30mm/min、180mm/min、360mm/min三种加载速率下的阻尼器的力-位移关系曲线,位移幅值为4.5mm。从图上可以看出,随着加载速率的增加,滞回环变得狭长,其包围的面积逐渐减小,阻尼器的等效刚度略有提高,等效阻尼比逐渐减小。5iti丝缆初始预变形对阻尼器力学性能的影响本文作者研制了一种新型的形状记忆合金拉压型超弹性阻尼器,介绍了其构造和工作原理,并进行了力学性能试验。试验结果表明:(1)对形状记忆合金阻尼器中NiTi丝缆施加初始预变形可以获得不同的迟滞循环行为,施加预变形到超弹性平台的中点位置,阻尼器可以获得较为饱满的迟滞环和稳定的阻尼力;(2)位移幅值影响阻尼器的力学性能,随着位移幅值的增加,阻尼器的等效刚度逐