sma復(fù)合摩擦阻尼器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

形狀記憶是一種重要的智能材料。它不僅具有較高的動能和延展性，而且具有高溫、超彈性和低溫形積感的特點(diǎn)。因此，這種材料可以用來制作工程結(jié)構(gòu)振動控制裝置。與傳統(tǒng)的粘土彈性材料和低屈服點(diǎn)金屬等材料相比，sma抗彎尼器具有抗疲勞動性好、抗衰減能力強(qiáng)、變形大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。近年來，它引起了工程界的廣泛關(guān)注。目前，人們將sma絲綢素、板材和桿材料制成各種概念的抗彎劑，并將它們結(jié)合在一起進(jìn)行了一系列衰減試驗(yàn)。結(jié)果表明，這些抗彎劑具有明顯的抗彎性。然而，這些抗彎劑在實(shí)際應(yīng)用上仍有一定的局限性。例如，在目前的研究中，主要的抗彎劑是抗sma絲綢材料。這些抗彎劑只能承受單光束或壓力，而另一些則只能提供抗衰減能，因此很難提供高的抗彎性（例如ct阻尼器）。此外，從現(xiàn)有的一些阻尼劑中，由于結(jié)構(gòu)不緊湊、體積大，安裝在技術(shù)結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)的美學(xué)對結(jié)構(gòu)的形成有很大的影響。此外，在土木工程中，需要抗彎劑來制作大量的抗彎劑，這顯然是不經(jīng)濟(jì)的。本文根據(jù)土木工程振動控制的特點(diǎn),利用SMA的超彈性及高阻尼特性,設(shè)計(jì)并制造了一種變剛度的超彈性SMA復(fù)合摩擦阻尼器.該阻尼器不僅可以利用其主要部件(內(nèi)、外滑條)之間的相對位移使SMA絲產(chǎn)生耗能,還利用SMA絲的約束作用使阻尼器的內(nèi)部部件之間產(chǎn)生摩擦來耗散振動能量,并在耗能的同時產(chǎn)生一定的輸出力,以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)振動的目的.同一般的SMA阻尼器相比,該復(fù)合型阻尼器只需要較少量的SMA材料,就可以得到較大的控制力和耗能能力,且其結(jié)構(gòu)緊湊,安裝在結(jié)構(gòu)上,對結(jié)構(gòu)的美觀不會產(chǎn)生較大的影響.1抗sma復(fù)合阻尼器的設(shè)計(jì)1.1sma復(fù)合阻尼器的結(jié)構(gòu)圖1所示為SMA阻尼器的結(jié)構(gòu)簡圖,其主要部件有:外筒、外滑條、內(nèi)滑條(與軸相連)、前蓋、后蓋、拉桿及SMA絲.其中,外筒不僅起保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用,還承受工作時的拉力和壓力.外滑條是由4個完全相同的滑條組成,其一面是弧形,相對面是凸形.而內(nèi)滑條只有一個,它與軸相連,其與外滑條相接觸的4個面為凹形.外滑條的弧形面是為繞制SMA絲設(shè)計(jì)的,而凸形面是與內(nèi)滑條的凹面形成嚙合,使內(nèi)、外滑條產(chǎn)生相互垂直運(yùn)動.內(nèi)、外滑條由于SMA絲的捆綁而相互嚙合形成阻尼器的主體,其中滑條之間的接觸面是較為粗糙的摩擦面.在前蓋和后蓋上各設(shè)有4個洞口,以約束4個外滑條沿軸向運(yùn)動.該阻尼器的各部件制作完成后,其安裝也較為復(fù)雜,為此專門設(shè)計(jì)一套安裝設(shè)備,具體情況本文不再贅述.SMA復(fù)合阻尼器的制作和安裝均在南京液壓機(jī)械廠完成.所設(shè)計(jì)的阻尼器有關(guān)參數(shù)見表1,其中,dSMA為SMA絲(NiTi)直徑,N為SMA絲繞制圈數(shù),h為外滑條高度,D為內(nèi)滑條截面外邊長,RD為凹槽深度,LD為凹槽長度,d為凹槽間隙.1.2sma阻尼器的基礎(chǔ)工作原理在最大可恢復(fù)應(yīng)變范圍內(nèi),處于超彈性狀態(tài)的SMA絲在加載超過屈服應(yīng)力(SMA馬氏體相變開始應(yīng)力)后卸載至零,其應(yīng)變也接近于零,基本上無殘余應(yīng)變產(chǎn)生,同時產(chǎn)生一個遲滯環(huán),消耗了一定的能量.SMA的超彈性特性是設(shè)計(jì)SMA復(fù)合阻尼器的基礎(chǔ),其基本工作原理是:當(dāng)SMA阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)上與結(jié)構(gòu)共同工作的兩端拉桿發(fā)生相對運(yùn)動時,推拉內(nèi)滑條,使內(nèi)、外滑條分別沿軸向和徑向產(chǎn)生相對位移,但由于SMA絲對徑向位移的約束作用,在內(nèi)、外滑條的接觸面上產(chǎn)生相互作用力,阻尼器的輸出力就是由這個作用力的軸向分力和接觸面上的摩擦力組成.SMA阻尼器的耗能機(jī)理視拉桿兩端相對位移的大小而不同.在小位移的情況下,主要靠內(nèi)、外滑條之間的摩擦來吸收能量;在大位移的情況下,則是利用SMA絲的超彈性阻尼和接觸面的摩擦來耗散振動能量.伴隨著耗能的同時,阻尼器對工程結(jié)構(gòu)還產(chǎn)生一定的輸出控制力.因此,該阻尼器實(shí)際上是一種SMA復(fù)合耗能阻尼器,其性能不僅與SMA的特性有關(guān),還與接觸面的性質(zhì)有一定的聯(lián)系.1.3結(jié)語:sma在馬氏體態(tài)下的本實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于SMA合金材料組分的不同,處理工藝的差異,其力學(xué)性能也相差較大,本文選取江陰法爾勝公司生產(chǎn)的NiTi合金絲,其直徑為1.00mm,化學(xué)成分為:Ni49.8,Ti50.2.經(jīng)DSC(differentialscanningcalorimeter)測試,測得其相變溫度分別為:馬氏體相變結(jié)束溫度Mf=-25℃,馬氏體相變開始溫度Ms=-18℃,奧氏體相變開始溫度As=0℃,奧氏體相變結(jié)束溫度Af=8℃.經(jīng)大量力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),得到有關(guān)參數(shù)如下:SMA處于奧氏體態(tài)下的彈性模量EA=51GPa,馬氏體態(tài)下的彈性模量EM=13GPa,奧氏體相變的材料常數(shù)CA=5.0MPa/℃,馬氏體相變的材料常數(shù)CM=9.2MPa/℃,最大相變應(yīng)變εtLLt=7.9%.2抗sma復(fù)合檢測器的力學(xué)性能試驗(yàn)2.1激振幅值/溫度試驗(yàn)采用正弦激勵法,按輸入位移u=u0sinωt來控制Instron試驗(yàn)機(jī)的加載系統(tǒng),u0為激振幅值.試驗(yàn)溫度為25℃;根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的具體情況確定加載頻率為0.02～1.0Hz;位移幅值范圍為-1～1mm和±(1%～6%)L0(L0為繞一圈SMA絲的有效工作長度,L0=400mm).具體加載方法如表2所示,每種工況記錄20個循環(huán),試驗(yàn)裝置如圖2所示.2.2加載條件初始位移的影響從各種加載頻率及位移幅值的測試結(jié)果來看,由于制造、安裝及測試因素,致使阻尼器在初始位置向正向或負(fù)向加載時,都具有一定的初始位移,經(jīng)試驗(yàn)測得,正向加載的初始位移為0.5mm,負(fù)向加載的初始位移為1.0mm,因此,阻尼器在-1.0～0.5mm范圍內(nèi),是無輸出力的.在分析阻尼器的力學(xué)性能參數(shù)與加載條件的關(guān)系時,本文中均減去了初始位移的影響.2.2.1加載頻率對阻尼器力學(xué)性能的影響為了探討加載頻率對阻尼器力學(xué)性能的影響,測試了0.02,0.2,0.5,1.0Hz等4種頻率在不同位移幅值下的荷載-位移曲線,本文給出了在位移幅值為2mm的情況下,阻尼器的剛度、輸出力、耗能及阻尼比與加載頻率之間的關(guān)系,如圖3所示.其中,剛度為有效割線剛度,輸出力為位移幅值時所加荷載,耗能為荷載-位移曲線所圍面積.阻尼器的有效阻尼比η=ΔW2πWη=ΔW2πW.其中,ΔW為阻尼器振動一周所消耗的能量,W為阻尼器在振動一周內(nèi)的儲能,ΔW,W是根據(jù)阻尼器的荷載-位移試驗(yàn)曲線而得.在試驗(yàn)加載頻率范圍內(nèi),從0.02～1.0Hz范圍內(nèi),其正向加載和負(fù)向加載的剛度變化分別為7.4%和6.3%,正、負(fù)向剛度的變化較小,且在相同的加載頻率下,正、負(fù)向剛度相差大約為0.2kN·mm(如圖3(a)所示).因此,在建立SMA阻尼器模型時,可以認(rèn)為正、負(fù)向加載的剛度是近似相等的.圖3(b)為阻尼器輸出力與加載頻率之間的關(guān)系,正、負(fù)向最大輸出力的變化分別為13.3%和16.7%,且它們分別在2.9kN和1.8kN處波動.可見,加載頻率對阻尼器輸出力的影響程度很小.圖3(b)中振幅為2.0mm,正、負(fù)向加載時,阻尼器輸出力相差較大的原因是由于阻尼器制作、安裝時的初始位移造成的.通過分析,若考慮初始位移的影響,則相應(yīng)的正、負(fù)向輸出力是近似相等的.圖3(c)和(d)給出了阻尼器耗能能力與加載頻率之間的關(guān)系,其耗能及耗能系數(shù)隨頻率的變化而變化較小,其值分別為8.9%和9.6%.在振幅為2mm時,由于超彈性SMA絲一直處于奧氏體狀態(tài),沒有產(chǎn)生相變,因而阻尼器的耗能能力主要由SMA絲的徑向約束使內(nèi)、外滑條產(chǎn)生摩擦所致,摩擦耗能基本上與加載頻率無關(guān),只與加載位移幅值有關(guān).而在大位移幅值的情況下,雖然有SMA超彈性阻尼耗能的參與,但試驗(yàn)結(jié)果表明,加載頻率對阻尼器耗能能力的影響也較小.從上述的試驗(yàn)結(jié)果及分析可知,加載頻率對阻尼器主要力學(xué)性能的影響較小.因此,在低頻(小于1.0Hz)的情況下,可忽略加載頻率對SMA阻尼器力學(xué)性能的影響.2.2.2sma絲馬氏體相變過程中的能耗特性圖4給出了在加載頻率為0.02Hz下不同振幅的阻尼器荷載-位移曲線,并得到阻尼器的剛度、最大輸出力、耗能及阻尼比等性能參數(shù)與位移幅值之間的關(guān)系,如圖5所示.從圖5可以看出,在位移幅值小于7mm時,SMA處于奧氏體狀態(tài),其SMA絲的彈性模量基本不變,阻尼器的剛度變化較小(見圖5(a)).阻尼器的輸出力與位移基本處于線性關(guān)系(圖5(b)).此時,其耗能是隨位移的增加而增加,但由于SMA絲沒有發(fā)生馬氏體相變而無耗能,阻尼器的耗能主要是由內(nèi)、外滑條的相互摩擦耗能而形成.當(dāng)位移幅值大于7mm時,SMA開始發(fā)生馬氏體相變(即相當(dāng)于屈服).在相變過程中,阻尼器的輸出力隨位移的增大變化較小,如圖4與圖5(b)所示.而其耗能增加較大.從圖5(c)可以看出,位移幅值越大,其耗能也就越大.在SMA絲發(fā)生馬氏體相變后,SMA的超彈性阻尼耗能發(fā)揮作用,阻尼器的耗能主要是由摩擦耗能和超彈性阻尼耗能所組成.而其阻尼比隨位移幅值的增加而有所增加,但增加的幅度較小(圖5(d)).另外,從圖4可以看出,當(dāng)阻尼器由加載向卸載轉(zhuǎn)變時,阻尼器的輸出力發(fā)生突變,這主要是由于摩擦力與導(dǎo)桿的運(yùn)動方向發(fā)生改變而造成的.隨后,導(dǎo)桿向原點(diǎn)運(yùn)動時,由于內(nèi)、外滑條接觸面的摩擦系數(shù)與接觸面的斜率相等,故導(dǎo)桿兩端無輸出力,阻尼器處于零載狀態(tài).3位移對比阻尼器結(jié)構(gòu)1)在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi),加載頻率對阻尼器的剛度、輸出力、耗能等主要力學(xué)參數(shù)影響較小,可忽略頻率對本阻尼器的力學(xué)性能的影響.2)位移幅值是影響SMA阻尼器力學(xué)性能的主要因素,當(dāng)位移幅值小于SMA發(fā)生馬氏體相變對應(yīng)的位移時,阻尼器的剛度