sma超弹性阻尼器在框架结构振动控制中的应用

sma超弹性阻尼器在框架结构振动控制中的应用

形状记忆是一种具有动态和静态激励的敏感材料，其主要特点是形状记忆效应（sme）。196年，美国海军武器研究所发现了niti系列中的形状记忆效应，并开始了“形状记忆”的真实阶段。它的另一个特点是集群补偿性能，这是一种特殊的扭转能耗性能。基于这些特点，可以开发出性能好的结构振动控制装置。摩尔斯等人提出，利用sma可以控制建筑材料结构。格拉斯和cousal将sma用作可能的新型振动材料，然后利用sma进行了理论和实验研究，并取得了许多进展。韩玉林等人回顾了1999年以来基于sma的结构振动控制的研究现状。1抗sma丝绸粘度分析1.1应力-应变关系曲线NiTiSMA不仅具有较好的耗能性能,而且具有很好的耐腐蚀、抗疲劳性能,因此,实验采用Ti-55.2%Ni(Ni原子数分数为55.2%)合金丝制作阻尼器,SMA丝的直径为0.75mm.图1给出了353K时SMA丝的应力-应变关系曲线,曲线反映了SMA丝的超弹性效应.从图中可以看出,当加载时,应力-应变关系沿曲线o-a-b-c-d-e变化;若在e点卸载,应力-应变关系沿曲线e-f-g-h-i-o变化;若在c点卸载,应力-应变关系沿曲线c-g-h-i-o变化;若从c点开始卸载,到达h点后开始加载,SMA丝应力-应变关系将沿曲线c-g-h-b-c变化.当SMA丝安装在结构上,并在结构振动下变形,则曲线c-g-h-b-c代表一个SMA丝的轴向振动周期,曲线c-g-h-b-c所包围的面积值即为SMA丝所耗的能量.1.2+ma丝超弹性阻尼器的能耗能力结构振动时,安装在结构中的阻尼器通常既要承受拉伸载荷,也要承受压缩载荷.而SMA丝仅能承受拉伸载荷,所以如果不经处理而直接使用SMA丝,则SMA丝将仅能在结构振动过程的一半时间里耗能.为了提高SMA丝超弹性阻尼器的耗能能力,本文设计的SMA超弹性阻尼器中的SMA丝将有适当的预应变.假定图2(a)表示安装在结构中的无预应变的SMA丝的变形应力-应变曲线,则图2(b)表示有预应变的SMA丝的变形应力-应变曲线.根据图2可得到下列结论:1)无预应变时,SMA丝仅在结构振动每一周的一半时间内耗能.而在合适的预应变ε0下,SMA丝可以在结构振动的整个周期内都耗能.从图2可以看出,当预变形至合适量时,SMA丝耗能能力可以是无预变形时的SMA丝的2倍多.所以,设定预应变ε0是重要和有效的.2)设定ε0时,要保证SMA丝在结构振动后半周期也耗能,同时必须保证SMA丝不会拉断.2安装sma超弹性阻尼器框架结构振动控制实验2.1结构的振动对sma丝性能的影响实验采用的钢制框架结构为2层,高2m,长1m,宽0.25m,如图3所示,框架上安放4个均为20kg的质量块,8个SMA超弹性阻尼器被交叉安装在框架每一层的对角线位置.每个SMA超弹性阻尼器包括2根钢丝(ϕ7mm),一根SMA丝(ϕ0.75mm)用夹具连接2根钢丝:钢丝长582mm,SMA丝长250mm.由于ϕ7mm钢丝的抗拉刚度远大于ϕ0.75mmSMA丝的抗拉刚度,所以当结构振动引起阻尼器拉伸变形时,可以认为变形全部由中间的SMA丝来承担,这样,SMA丝将有效地耗能.实验时,SMA丝被加热到353K,当框架振动时,阻尼器不断地消耗框架的振动能量.实验步骤如下:①首先确定SMA超弹性阻尼器的安装位置,由于在层间,框架对角线两端点的相对位移最大且易于安装,所以实验中,拉索被安装在框架的对角线上(如图3所示).②根据结构的振动特点,计算安装点间的相对位移.③由安装点间的相对位移和SMA丝应力-应变关系,计算SMA丝的工作长度和预变形量.SMA丝的工作长度指振动控制时实际参加耗能的SMA丝长度.设计SMA丝工作长度时要防止SMA变形过度而断裂.④预拉伸SMA丝至计算变形量,并将SMA阻尼器固定安装在结构中.⑤把耗能器中的SMA丝加热至工作温度353K,当结构振动时,阻尼器消耗结构的振动能量.⑥在x方向上给框架的顶部一个初位移(见图3),然后突然释放框架顶部.框架主要以x方向的第1阶模态振动.计算机自动测量记录框架顶部的振动位移变化.⑦保持SMA丝的温度为353K,当结构振动时,此阻尼器将不断地耗能.2.2振动衰减图图4(a)为未安装SMA超弹性阻尼器的框架的振动衰减图,图4(b)为安装SMA超弹性阻尼器的框架的振动衰减图.由图4(a)可见,安装SMA拉索的框架从初位移衰减到一半初位移的时间约为45s,由图4(b)可见,安装阻尼器的框架在同样条件下的衰减时间不足0.4s.3模型中的有限地震响应分析3.1有限元模拟结果在有限元模拟时,需要先确定框架的阻尼比才能进行准确的有限元动力学分析.本文使用试算法确定框架的阻尼比,即先根据经验取一个框架阻尼比参加有限元动力分析,然后将有限元计算结果和实验数据进行比较,不断调整框架的阻尼比,直到有限元分析结果和实验数据相同,此时的框架阻尼比就是所需的框架阻尼比.同样用此法来确定SMA超弹性阻尼器的参数.计算发现,当框架阻尼比为0.55%时,有限元法所得振动衰减过程(见图5)在衰减速度和固有频率上非常接近测量结果(见图4(a)).在有限元模拟中,SMA阻尼器被简化为弹簧阻尼器.试算发现,当弹簧常数为18.8kN/m,阻尼系数为186N·s/m时,框架振动衰减过程(见图6)与实验数据(见图4(b))的衰减速度和第1阶固有频率相吻合.3.2振动衰减速度框架和SMA阻尼器的有限元计算参数确定后,为了检验SMA超弹性阻尼器在结构控制中的效果,采用有限元法对地震载荷作用下的未受控框架与受控框架振动响应进行了计算.将地震力以节点力的形式沿x方向作用在框架顶部(如图3所示).在El-Centro地震波激励(0～30s)下未受控框架与受控框架顶部沿x方向的振动响应的有限元模拟如图7表示.图7还显示了其余部分(30s以后)未受任何激励条件下的振动衰减.通过比较发现,受控框架的最大振动响应是未受控框架的最大振动响应的5%,且振动衰减速度快得多.这说明SMA阻尼器既有效地减少了结构响应,又显著加快了振动衰减速度.在Taft地震波激励(前边670个点的加速度峰值很小,所以前670个点忽略不计)下未受控框架与受控框架顶部沿x方向的振动响应的有限元模拟如图8所示.图8还显示了其余部分(10s以后)未受任何激励条件下的振动衰减.通过比较发现,受控框架的最大振动响应是未受控框架的最大振动响应的12%,且振动衰减速度快得多.在天津地震波激励下未受控框架与受控框架顶部沿x方向的振动响应的有限元模拟如图9所示.图9还显示了其余部分(11s以后)未受任何激励条件下的振动衰减.通过比较发现,受控框架的最大振动响应是未受控框架的最大振动响应的5.3%,且振动衰减速度快得多.上述计算说明SMA阻尼器既有效地减少了结构响应,又显著加快了振动衰减速度.4实验数据及分析本文讨论了SMA丝的超弹性耗能原理,分析了预应变和阻尼器耗能能力的关系.在此基础上,设计制作了一种SMA超弹性阻尼器,并将其安装在钢制框架上进行实验.实验数据表明,安装阻尼器的框架的振动衰减速率远快于未安装阻尼器的框架.同时也可得出