新型SMA_粘滞阻尼器的试验研究

sma阻尼器

第47卷　第6期　

2008年　11月中山大学学报(自然科学版)

ACTA　SCIENTIARUM　NATURALIUM　UNIVERSITATIS　SUNYATSENI

3

Vol147　No16

Nov1　2008

新型SMA2粘滞阻尼器的试验研究

禹奇才,刘爱荣,姚　远

(广州大学土木工程学院,广东广州510006)

MA)丝的超弹性性能以及在不同加载频率下的滞回性能,获得摘　要:研究了常温下NiTi形状记忆合金(S

了其力学参数;基于NiTiSMA丝和成品粘滞阻尼器设计研制了一种新型SMA2粘并通过试验研究了

SMA2粘滞阻尼器加载频率与耗能能力、等效阻尼比、。,SMA2粘滞阻

尼器具有优良的耗能能力,适合于长周期结构的振动控制。

MA2粘关键词:形状记忆合金;粘滞阻尼器;S

中图分类号:U448125;TU31113:052926579(2008)0620120204

　　程结构的动力性能地震作用下的反应,确保结构在强烈振动下的安全性。而振动控制装置的研发往往依赖于工程材料的发展,近年来利用智能材料独特的性能,开发阻尼耗能器与减震器成为工程界的一个研究热点。形状记忆合金作为一种新型的智能材料,在工

[1]

程结构振动控制中得到了广泛的应用。与普通材料相比形状记忆合金具有独特的形状记忆效应和超弹性效应、高阻尼和变刚度特性、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。到目前为止,各国学者基于形状记忆合金材料已经研制出了针对不同结构振动控制的阻尼器。1994年美国Robery领导的研究小组

[4]

研制出了SMA中心引线(CT)型阻尼器;2000年Mauro等在Robery研究的基础上基于试验将CT

[5]

型阻尼器进一步改进;2004年彭刚建立了CT型

[6]

阻尼器的力学模型;我国学者姜袁等利用SMA丝和SMA弹簧设计制作了一种伸缩式SMA阻尼[7]

器。

本文首次基于SMA丝和成品油粘滞阻尼,设计研制出了一种新型SMA2粘滞阻尼器,试验研究结果表明与现有成品粘滞阻尼器相比,其阻尼耗能能力效果更明显,并且可以有效地弥补常规粘滞阻尼器低频下耗能能力较低这一缺陷。为了确定所研制的SMA2粘滞阻尼器SMA丝的力学参数以及耗能能力,本文还在常温下对SMA丝的超弹性性能进行了试验研究。

3收稿日期:2008-10-23

[2-3]

1　SMA丝超弹性力学行为试验

试验选取长度为250mm、直径2mm的NiTi2SMA丝作为试验对象,加载频率为0102、011、015Hz和1Hz,应变幅值为6%,预先训练10次,循环加载次数为5次;加载设备为WDW2100C型电子万能实验机,试验温度为26℃。受篇幅限制,本文只给出了加载频率为0102和1Hz下,NiTi2SMA丝的滞回曲线,如图1和图2示

。

基金项目:广东省科技计划基金资助项目(2005B10201023);广州市科技计划基金资助项目(2006J12C0471)

作者简介:禹奇才(1955年生),男,教授;E2mail:Yuqicai@1631com

sma阻尼器

　第6期禹奇才等:新型SMA2粘

滞阻尼器的试验研究121

图1表明加载频率为0102Hz下,NiTi2SMA丝的滞回曲线比较饱满,滞回面积较大,而图2则表明在加载频率为1Hz的情况下,NiTi2SMA丝的滞回曲线相对较为扁平,滞回环面积较小,说明SMA丝在低频下的耗能能力较高频下强。为了系

统研究加载频率与NiTi2SMA丝耗能能力间的关系,本文对不同加载频率下NiTi2SMA丝滞回曲线进行了回归,由图3可知,随着试验加载频率的增加,滞回曲线的滞回环面积(单位耗能面积)在减小,说明在相同的预应变和位移行程下,相同SMA丝的耗能能力随着加载频率的增加而降低

。

图3　频率与耗能能力间的关系曲线

Fig13　Curveoffrequencyandenergydissipationcapacity

致阻尼力较小,耗能能力较弱。相反从图3可知,

SMA丝材在低频下具有较强的能量耗散能力,正好可以弥补普通粘滞阻尼器的这一不足。如若完全利用SMA丝材提供阻尼力,忽略普通粘滞阻尼器的影响,考虑到SMA丝材价格比较昂贵,势必导致阻尼器造价较为昂贵,所以综合利用SMA丝材和普通油滞粘滞阻尼器的阻尼特性以及造价优势,研制这一新型SMA2粘滞阻尼器是很有必要的。

2　SMA2粘滞阻尼器的设计

本文设计的SMA2粘滞阻尼器的结构示意图如

图4所示,图5为实物照片。其中SMA丝材选用NiTi合金丝,粘滞阻尼器选用普通硅油阻尼器,其

α

阻尼力与速度间的关系为F=CV,其中F为阻尼力,C为阻尼常数,V为阻尼器活塞相对外壳的运动速度,α为阻尼指数。

利用SMA丝的超弹性滞回耗能的特点,在普通油粘滞阻尼器的外壳上设置若干组SMA丝,每组由2根SMA丝组成,一端锚固在固定板上,另一端锚固在固定螺丝上。通过调节固定螺丝,可张拉形状记忆合金丝,使其产生预应变。当粘滞阻尼器活动端产生相对位移时,就可以发挥其阻尼耗能作用。在此期间,连接杆带动滑块产生位移,迫使SMA丝左右运动,使得每组合金丝的一侧被拉伸,一侧收缩,在左右两侧的合金丝共同作用的过程中,SMA丝超弹性高阻尼的特点得到了充分利用,从而达到与粘滞阻尼器共同耗能的作用,这就是SMA2粘滞阻尼器的工作原理。

普通油粘滞阻尼器是通过迫使阻尼筒中的硅油通过活塞上的小孔来产生阻尼力,阻尼力与加载速度有关,通常在低频情况,由于加载速度小,

导

3　SMA2粘滞阻尼器的试验研究

试验采用位移控制的加载方式,位移呈如下正弦规律变化:

πft)(1)u=Asin(2

其中,A为加载系统输入的位移幅值,f为加载频率,t为加载时间。通过加载设备输入不同的位移幅值、频率,测定SMA2粘滞阻尼器的以下参数:①单位循环消耗能量WC;②等效割线刚度KS;③等效阻尼比ξα,

Ks=

Fmax-Fmin

其中　　　　　　

ξa=

Δmax-Δmin

Wc

(2)

πKsΔ2

2

上式中:Δ为滞回循环的幅值;Fmax为加卸载循环中的最大输出力;Fmin为加卸载循环中的最小输出力;Δmax为加卸载循环中的最大位移;Δmin为加卸载循环中的最小位移;ω为试验的加载频率。

本次试验研究了最大行程为5、6、7和8mm,加载频率为011、012、015和1Hz下,SMA2粘滞阻尼器的阻尼力和位移滞回曲线,从而确定其单位

sma阻尼器

122中山大学学报(自然科学版)第47卷　

循环消耗能量、等效割线刚度和等效阻尼比。由于篇幅限制本文只给出了最大行程为6mm,加载频率为011Hz和1Hz时阻尼器的滞回曲线,如图6示。由图6,在011Hz下阻尼力和位移滞回曲线比较光滑饱满面积较大,而在1Hz下滞回曲线呈梭形,滞回面积相对较小,说明本文所研制的SMA2粘滞阻尼器在低频情况下耗能能力较高频情况下强

。

表1归纳总结了在不同的加载行程和频率下SMA2粘滞阻尼器和普通硅油粘滞阻尼器的单位循环耗能量,说明与普通粘滞阻尼器相比,SMA2粘滞阻尼器的耗能能力得到了较大提高,尤其是在低频情况下,最大提高幅度可以达到49%。图7～图8给出了不同行程下,SMA2粘滞阻尼器加载频率与单位循环耗能、等效刚度与等效阻尼比间的试验关系曲线,试验结果表明2粘滞阻尼器在低频情况下,15,并且,相反等效阻尼SMA2粘滞阻尼器

。

图6　SMA2粘滞阻尼器的滞回曲线

Fig16　ThehysteresticcurvesofSMA2fluidviscousdamper

图7　频率与单位循环耗能量间的关系曲线

Fig17　Curvesoffrequencyandunitcyclic

dissipationenergy

表1　SMA2粘滞阻尼器和普通油粘滞阻尼器的单位循环消耗能量

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