、
σ B
,
则每组
SMA 丝的恢复力可以表示为
FS
= FA - FB
=
σ A
AA
-
σ B
AB
(4)
其中 AA 和 AB 为两根合金丝的面积.
对于粘滞阻尼器部分 , 其阻尼力如 ( 2)式. 联合 ( 2) 、
(4)式 , 可求得 SMA2粘滞阻尼器的力学模型为
F = FS + FC
(5)
2 SMA 2粘滞阻尼器的仿真计算分析
σ(ε) =
(k1 - k2 )εms + k2ε (k1 - k2 ) (εms -εmf ) + k1ε
(εms →εmf ) (εmf →εas )
(1)
(k1 - k2 )εaf + k2ε
(εas →εaf )
表 1 拟合曲线参数的取值 [2 ]
Table 1 The parameters of fitting curve
姚 远 , 禹奇才 , 刘爱荣 , 谢盛奋
(广州大学 土木工程学院 , 广东 广州 510006)
摘 要 : 利用形状记忆合金的优良力学性能 ,设计出了一种性能良好的 SMA 2粘滞阻尼器 ,利用分段线性化模 型推导出阻尼器的力学性能 ,并进行了仿真计算. 计算结果表明 :该阻尼器有良好的耗能能力 ,在大跨度桥梁 低频振动控制方面有较好的应用前景. 关键词 : 形状记忆合金 ; 超弹性 ; 粘滞阻尼器 ; 仿真分析 中图分类号 : TU 352 文献标识码 : A
形状记忆合金 ( shape memory alloy, SMA) 是一种新型 的智能材 料 , 其 独 特 的 性 能 是 超 弹 性 和 形 状 记 忆 效 应 ( SME). 利用形状记忆合金的超弹性滞回性能可以吸收和 耗散结构的振动能量 ,降低结构的振动响应. 将常温下为 奥氏体状态的形状记忆合金制成高阻尼的耗能器 ,就可利 用其在不同频率荷载作用下所具有的变阻尼和变刚度特 点吸收和耗散能量 ,进行结构的被动耗能抗震控制.
收稿日期 : 2007 - 09 - 10; 修回日期 : 2007 - 10 - 29 基金项目 : 广东省科技计划项目 (20051310201023) ;广州市科技计划项目 (2006J l - C0471) 作者简介 : 姚 远 (1981 - ) ,男 ,硕士研究生 ,主要从事新型桥梁结构研究.
1 SMA 2粘滞阻尼器的设计与理论模型
对于 SMA材料 ,其丝材的应用比较广泛 ,且丝材的应 力 2应变曲线也很明确 ;普通油阻尼器是粘滞阻尼器的代 表 ,应用最广泛. 本文所设计的 SMA2粘滞阻尼器采用 SMA 丝材与普通油阻尼器相连接 ,共同工作提供阻尼力. 1. 1 N iTi丝超弹性模型的建立
3 结 论
本文所设计的阻尼器合成了形状记忆合金的超弹性 滞回耗能性能和粘滞阻尼器良好的耗能能力. 建立理论模 型并对其进行仿真计算 ,得出以下结论 :
(1) SMA2粘滞阻尼器在循环荷载作用下各部分可以 良好地协同工作 ,形成稳定饱满的滞回曲线 ,表示此种阻
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的位移缩小作用 , SMA 丝产生 Δx /2 的位移 ,将此值代入
(3)式即可求出滑块两侧 A、B两组 SMA丝的应变量.
ε A
=
ε 0
+Δx
L
εB
=
ε 0
- Δx
L
(3)
其中
ε 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
为形状记忆合金丝的预应变
,
L
为阻尼器中两丝的
长度.
联合
( 1) 、( 3)式 , 可分别求出
A、B
两
丝
的
应力
σ A
图 5 SMA 2粘滞阻尼器的滞回曲线 Fig. 5 The hysteresis curve of SMA 2fluid viscous damper
图 5为拟定的 SMA2粘滞阻尼器在一个加载循环内的 滞回曲线. 图 6为所拟定的合成阻尼器与其中的粘滞阻尼 部分在一个加载循环内的滞回曲线比较图.
在大跨度的缆索体系桥梁中 ,结构常常采用漂浮体 系. 从斜拉桥的地震反应来看 ,采用漂浮体系 ,主塔的内力 反应较小 ,但梁端和塔顶的纵向位移较大. 这时就需要在 漂浮体系结构的塔梁间增设纵向约束装置 ,以改善斜拉桥 的静力 、动力性能. 在通常情况下 ,约束装置一般采用粘滞 阻尼器 [ 1 ].
由于粘滞阻尼器的阻尼力与速度有关 ,所以其在低 频的激励下对结构的阻尼特性提高并不明显 ,低频的疲 劳破坏成为结构的隐患. 而对于大跨度的全漂体系桥梁 , 一阶模态一般为主梁的纵漂. 因此 ,就需要提高结构在低 频激励下的阻尼特性. 而加载频率对形状记忆合金的超 弹性滞回耗能能力影响并不明显 [ 2 ] ,因此 SMA 可在低频 条件下提供稳定的阻尼力. 本文设计了一种新型 SMA 粘滞阻尼器 ,对其设计模型的力学特性进行了理论推导 , 并利用 MATLAB编制程序计算出模型的滞回曲线 、阻尼 器的等效割线刚度 Ks、单位循环耗散的能量 W c和等效阻 尼比 ζα. 其结果对阻尼器的研制和应用有着重要的指导 意义.
Hz mm ( kN·mm - 1 )
( kN·mm)
%
0. 02 12
1. 47
644. 92
48. 62
由图 6可计算得 ,在耗能方面 ,加装 SMA 耗能部分使 得阻尼器的耗能能力大大提高 ,与不加 SMA耗能丝的粘滞 阻尼器相比 ,耗能能力约提高 15%. 而且在低频条件下 , 当粘滞阻尼部分不能提供稳定的阻尼力时 , SMA丝耗能部 分仍可提供稳定的阻尼.
94
广州大学学报 (自然科学版 )
尼器有良好的耗能能力 ; (2) 在低频循环荷载下 ,阻尼器中的 SMA丝可充分发
挥阻尼特性 ,实现耗能.
第 7卷
参考文献 :
[ 1 ] Soong T T, Dargush G F. 工程结构中的被动消能系统 [M ]. 北京 :科学出版社 , 2005: 1242127. Soong T T, Dargush GF. Passive energy dissipation system s in structural engineering[M ]. Beijing: Sci Press, 2005: 1242127.
器的外壳上加装 6组共 12根 SMA丝. 每组 2根 SMA耗能
丝一端固定 ,另一端锚固在滑块上. 通过调节固定端的螺
丝 ,将形状记忆合金拉至超弹性平台的中点 , 使两根合金
丝均产生预应变 ε0. 当粘滞阻尼器活动端产生相对位移 时 ,其粘滞阻尼发生作用. 除此之外 ,连接杆带动滑块产生
位移 ,带动合金丝左右运动. 其中每组合金丝的一侧被拉
本文的 SMA采用 N iTi合金 ,合金丝采用文献 [ 3 ]所提 供的设计参数和计算模型. 简化的应力 2应变关系如图 1; 计算模型采用分段线性模型 ,其表达如 (1)式 ;各参数的取 值见表 1.
图 1 简化的 SMA 丝应力 2应变关系 [2 ] Fig. 1 The simp lified stress2strain curve of SMA
k1 /M Pa k2 /M Pa
ε af
ε ms
ε nf
ε as
42 730 4 080 0. 5% 1. 1% 5. 8% 5. 2%
1. 2 粘滞阻尼器的力学特性 本文的粘滞阻尼器采用油阻尼器 , 油阻尼器通过迫使
阻尼筒中的硅油通过活塞上的小孔来产生阻尼 , 达到耗能 的目的. 此类阻尼器的输出力一般包括弹簧力和阻尼力 , 通过调整流体的性质和阻尼器活塞孔的几何尺寸 , 此类阻 尼器可输出纯阻尼力 ,其理想输出力为
第 2期
姚 远等 :一种新型形状记忆合金 ( SMA ) 2粘滞阻尼器
9 3
图 3 SMA 丝组的滞回曲线 Fig. 3 The hysteresis curve of SMA group
图 4 粘滞阻尼器的滞回曲线 Fig. 4 The hysteresis curve of fluid viscous damper
根据仿真计算所得的数据 , 可以计算出阻尼器的工作 性能 ,即等效割线刚度 Ks、单位循环耗散的能量 W c和等效
阻尼 比 ζα.
其 中 ζα
=
Wc
2πKaΔx2
,
等效割线刚
度
Ka
=
Fm ax
Δxm ax
-
Fm in
Δxm
in
,
式中
,
Fmax、Fm in代表一个加卸载循环中的最
大 、最小输出力 ;Δxmax、Δxm in代表一个加卸载循环中的最
[ 2 ] 倪立峰 ,李爱群 ,左小宝 ,等. 形状记忆合金超弹性阻尼性能的试验研究 [ J ]. 地震工程与工程振动 , 2002, 22 ( 6) : 1452 148. N I L i2feng, L I A i2qun, ZUO Xiao2bao, et al. Investigation and experiment of damper based on shape memory alloy ( SMA ) [ J ]. Earthquake Eng Eng V ibr, 2002, 22 (6) : 1452148.
第20078卷年 第4月2期
广州大学学报 (自然科学版 )
Journal of Guangzhou University (Natural Science Edition)
文章编号 : 167124229 (2008) 0220091204