sma复合摩擦阻尼器的设计与试验研究

sma复合摩擦阻尼器的设计与试验研究

形状记忆是一种重要的智能材料。它不仅具有较高的动能和延展性，而且具有高温、超弹性和低温形积感的特点。因此，这种材料可以用来制作工程结构振动控制装置。与传统的粘土弹性材料和低屈服点金属等材料相比，sma抗弯尼器具有抗疲劳动性好、抗衰减能力强、变形大、性能稳定等优点。近年来，它引起了工程界的广泛关注。目前，人们将sma丝绸素、板材和杆材料制成各种概念的抗弯剂，并将它们结合在一起进行了一系列衰减试验。结果表明，这些抗弯剂具有明显的抗弯性。然而，这些抗弯剂在实际应用上仍有一定的局限性。例如，在目前的研究中，主要的抗弯剂是抗sma丝绸材料。这些抗弯剂只能承受单光束或压力，而另一些则只能提供抗衰减能，因此很难提供高的抗弯性（例如ct阻尼器）。此外，从现有的一些阻尼剂中，由于结构不紧凑、体积大，安装在技术结构上，结构的美学对结构的形成有很大的影响。此外，在土木工程中，需要抗弯剂来制作大量的抗弯剂，这显然是不经济的。本文根据土木工程振动控制的特点,利用SMA的超弹性及高阻尼特性,设计并制造了一种变刚度的超弹性SMA复合摩擦阻尼器.该阻尼器不仅可以利用其主要部件(内、外滑条)之间的相对位移使SMA丝产生耗能,还利用SMA丝的约束作用使阻尼器的内部部件之间产生摩擦来耗散振动能量,并在耗能的同时产生一定的输出力,以达到控制结构振动的目的.同一般的SMA阻尼器相比,该复合型阻尼器只需要较少量的SMA材料,就可以得到较大的控制力和耗能能力,且其结构紧凑,安装在结构上,对结构的美观不会产生较大的影响.1抗sma复合阻尼器的设计1.1sma复合阻尼器的结构图1所示为SMA阻尼器的结构简图,其主要部件有:外筒、外滑条、内滑条(与轴相连)、前盖、后盖、拉杆及SMA丝.其中,外筒不仅起保护内部结构的作用,还承受工作时的拉力和压力.外滑条是由4个完全相同的滑条组成,其一面是弧形,相对面是凸形.而内滑条只有一个,它与轴相连,其与外滑条相接触的4个面为凹形.外滑条的弧形面是为绕制SMA丝设计的,而凸形面是与内滑条的凹面形成啮合,使内、外滑条产生相互垂直运动.内、外滑条由于SMA丝的捆绑而相互啮合形成阻尼器的主体,其中滑条之间的接触面是较为粗糙的摩擦面.在前盖和后盖上各设有4个洞口,以约束4个外滑条沿轴向运动.该阻尼器的各部件制作完成后,其安装也较为复杂,为此专门设计一套安装设备,具体情况本文不再赘述.SMA复合阻尼器的制作和安装均在南京液压机械厂完成.所设计的阻尼器有关参数见表1,其中,dSMA为SMA丝(NiTi)直径,N为SMA丝绕制圈数,h为外滑条高度,D为内滑条截面外边长,RD为凹槽深度,LD为凹槽长度,d为凹槽间隙.1.2sma阻尼器的基础工作原理在最大可恢复应变范围内,处于超弹性状态的SMA丝在加载超过屈服应力(SMA马氏体相变开始应力)后卸载至零,其应变也接近于零,基本上无残余应变产生,同时产生一个迟滞环,消耗了一定的能量.SMA的超弹性特性是设计SMA复合阻尼器的基础,其基本工作原理是:当SMA阻尼器安装在结构上与结构共同工作的两端拉杆发生相对运动时,推拉内滑条,使内、外滑条分别沿轴向和径向产生相对位移,但由于SMA丝对径向位移的约束作用,在内、外滑条的接触面上产生相互作用力,阻尼器的输出力就是由这个作用力的轴向分力和接触面上的摩擦力组成.SMA阻尼器的耗能机理视拉杆两端相对位移的大小而不同.在小位移的情况下,主要靠内、外滑条之间的摩擦来吸收能量;在大位移的情况下,则是利用SMA丝的超弹性阻尼和接触面的摩擦来耗散振动能量.伴随着耗能的同时,阻尼器对工程结构还产生一定的输出控制力.因此,该阻尼器实际上是一种SMA复合耗能阻尼器,其性能不仅与SMA的特性有关,还与接触面的性质有一定的联系.1.3结语:sma在马氏体态下的本实验结果由于SMA合金材料组分的不同,处理工艺的差异,其力学性能也相差较大,本文选取江阴法尔胜公司生产的NiTi合金丝,其直径为1.00mm,化学成分为:Ni49.8,Ti50.2.经DSC(differentialscanningcalorimeter)测试,测得其相变温度分别为:马氏体相变结束温度Mf=-25℃,马氏体相变开始温度Ms=-18℃,奥氏体相变开始温度As=0℃,奥氏体相变结束温度Af=8℃.经大量力学性能实验,得到有关参数如下:SMA处于奥氏体态下的弹性模量EA=51GPa,马氏体态下的弹性模量EM=13GPa,奥氏体相变的材料常数CA=5.0MPa/℃,马氏体相变的材料常数CM=9.2MPa/℃,最大相变应变εtLLt=7.9%.2抗sma复合检测器的力学性能试验2.1激振幅值/温度试验采用正弦激励法,按输入位移u=u0sinωt来控制Instron试验机的加载系统,u0为激振幅值.试验温度为25℃;根据试验机的具体情况确定加载频率为0.02～1.0Hz;位移幅值范围为-1～1mm和±(1%～6%)L0(L0为绕一圈SMA丝的有效工作长度,L0=400mm).具体加载方法如表2所示,每种工况记录20个循环,试验装置如图2所示.2.2加载条件初始位移的影响从各种加载频率及位移幅值的测试结果来看,由于制造、安装及测试因素,致使阻尼器在初始位置向正向或负向加载时,都具有一定的初始位移,经试验测得,正向加载的初始位移为0.5mm,负向加载的初始位移为1.0mm,因此,阻尼器在-1.0～0.5mm范围内,是无输出力的.在分析阻尼器的力学性能参数与加载条件的关系时,本文中均减去了初始位移的影响.2.2.1加载频率对阻尼器力学性能的影响为了探讨加载频率对阻尼器力学性能的影响,测试了0.02,0.2,0.5,1.0Hz等4种频率在不同位移幅值下的荷载-位移曲线,本文给出了在位移幅值为2mm的情况下,阻尼器的刚度、输出力、耗能及阻尼比与加载频率之间的关系,如图3所示.其中,刚度为有效割线刚度,输出力为位移幅值时所加荷载,耗能为荷载-位移曲线所围面积.阻尼器的有效阻尼比η=ΔW2πWη=ΔW2πW.其中,ΔW为阻尼器振动一周所消耗的能量,W为阻尼器在振动一周内的储能,ΔW,W是根据阻尼器的荷载-位移试验曲线而得.在试验加载频率范围内,从0.02～1.0Hz范围内,其正向加载和负向加载的刚度变化分别为7.4%和6.3%,正、负向刚度的变化较小,且在相同的加载频率下,正、负向刚度相差大约为0.2kN·mm(如图3(a)所示).因此,在建立SMA阻尼器模型时,可以认为正、负向加载的刚度是近似相等的.图3(b)为阻尼器输出力与加载频率之间的关系,正、负向最大输出力的变化分别为13.3%和16.7%,且它们分别在2.9kN和1.8kN处波动.可见,加载频率对阻尼器输出力的影响程度很小.图3(b)中振幅为2.0mm,正、负向加载时,阻尼器输出力相差较大的原因是由于阻尼器制作、安装时的初始位移造成的.通过分析,若考虑初始位移的影响,则相应的正、负向输出力是近似相等的.图3(c)和(d)给出了阻尼器耗能能力与加载频率之间的关系,其耗能及耗能系数随频率的变化而变化较小,其值分别为8.9%和9.6%.在振幅为2mm时,由于超弹性SMA丝一直处于奥氏体状态,没有产生相变,因而阻尼器的耗能能力主要由SMA丝的径向约束使内、外滑条产生摩擦所致,摩擦耗能基本上与加载频率无关,只与加载位移幅值有关.而在大位移幅值的情况下,虽然有SMA超弹性阻尼耗能的参与,但试验结果表明,加载频率对阻尼器耗能能力的影响也较小.从上述的试验结果及分析可知,加载频率对阻尼器主要力学性能的影响较小.因此,在低频(小于1.0Hz)的情况下,可忽略加载频率对SMA阻尼器力学性能的影响.2.2.2sma丝马氏体相变过程中的能耗特性图4给出了在加载频率为0.02Hz下不同振幅的阻尼器荷载-位移曲线,并得到阻尼器的刚度、最大输出力、耗能及阻尼比等性能参数与位移幅值之间的关系,如图5所示.从图5可以看出,在位移幅值小于7mm时,SMA处于奥氏体状态,其SMA丝的弹性模量基本不变,阻尼器的刚度变化较小(见图5(a)).阻尼器的输出力与位移基本处于线性关系(图5(b)).此时,其耗能是随位移的增加而增加,但由于SMA丝没有发生马氏体相变而无耗能,阻尼器的耗能主要是由内、外滑条的相互摩擦耗能而形成.当位移幅值大于7mm时,SMA开始发生马氏体相变(即相当于屈服).在相变过程中,阻尼器的输出力随位移的增大变化较小,如图4与图5(b)所示.而其耗能增加较大.从图5(c)可以看出,位移幅值越大,其耗能也就越大.在SMA丝发生马氏体相变后,SMA的超弹性阻尼耗能发挥作用,阻尼器的耗能主要是由摩擦耗能和超弹性阻尼耗能所组成.而其阻尼比随位移幅值的增加而有所增加,但增加的幅度较小(图5(d)).另外,从图4可以看出,当阻尼器由加载向卸载转变时,阻尼器的输出力发生突变,这主要是由于摩擦力与导杆的运动方向发生改变而造成的.随后,导杆向原点运动时,由于内、外滑条接触面的摩擦系数与接触面的斜率相等,故导杆两端无输出力,阻尼器处于零载状态.3位移对比阻尼器结构1)在试验频率范围内,加载频率对阻尼器的刚度、输出力、耗能等主要力学参数影响较小,可忽略频率对本阻尼器的力学性能的影响.2)位移幅值是影响SMA阻尼器力学性能的主要因素,当位移幅值小于SMA发生马氏体相变对应的位移时,阻尼器的刚度