新型自复位混合阻尼器的设计分析_张夫

3 自复位复合阻尼器的力学计算模型
器。该复合新型粘滞阻尼器既是速度相关型又是位 移相关型的阻尼器 ， 无论在低频还是超高频的动力荷 载的影响作用下 ， 都能够起到很好的耗能减震效果 。 本文基于普通粘滞阻尼器的工作原理 ， 根据其几 何构造 ， 利用形状记忆合金的超弹性性能和形状记忆 特性 ， 设计了一种新型形状记忆合金丝的复合型阻尼 器， 利用数值计算软件 MATLAB 对其力学性能 ， 得到 了不同阻尼器的位移幅值 、 加载频率等工况对 SMA 自复位混合阻尼器的单位循环耗能的影响效果 。
［2 ］
式中 ： A 为形状记忆合金丝的截面积 ； E A 为 OA 段的 弹性模量 ； E A→M 为 AB 段弹性模量 ； E M 为 BC 段的弹 性模量 ； E M→A 为 CO 段的弹性模量 。
2 自复位复合阻尼器的设计 2 ． 1 基于形状记忆合金 SMA 丝的自复位复合阻尼器 的构造设计
［ 其抗震减震控制的效果与阻尼器的工作性能密切相关 。 基于普通粘滞 摘要］ 设置有阻尼器的土木工程结构 ， 阻尼器， 利用形状记忆合金良好的超弹性性能和形状记忆特性 ， 设计了新型自复位混合阻尼器 。 该阻尼器主要是 利用形状记忆合金和普通粘滞阻尼器的协同耗能机制 ， 在形状记忆合金材料力学性能试验的基础上 ， 对其超弹性 性能进行分析， 然后分析了新型自复位混合阻尼器的工作原理及耗能机制 ； 利用数值计算对不同规格的阻尼器进 行分析， 得到了不同阻尼器的位移幅值 、 加载频率等工况对 SMA 自复位混合阻尼器的单位循环耗能的影响效果 。 通过对比分析， 得到了阻尼器参数的最佳组合 ， 进而能够保， 进而能够保证其发挥良好的耗能减震效果 ， 为其工程 应用奠定理论基础。 ［ 关键词］ 形状记忆合金阻尼器； 耗能； 最优组合 中图分类号： TU398． 9 文献标识码： A 848X（ 2012 ） S2034704 文章编号： 1002-
SMA 复合阻尼器设计参数
油缸内径 /mm 缸筒外径 /mm 缸筒长度 /mm 50 70 980 活塞杆直径 /mm 20 间隙 /mm 0． 2 行程 /mm 100 阻尼介质 二甲基硅油 运动粘度 2 × 10
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表1
SMA 截面半径 /mm 4
第 42 卷 增刊
张
夫， 等． 新型自复位混合阻尼器的设计分析 摩擦耗能和孔隙效应耗能两部分组成 πρ（ 1 +
Email： 770769541@ qq． com。 工程师， 作者简介： 张夫，
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1 形状记忆合金的本构关系
建
筑
结
构 F s = σA
2012 年
形状记忆合金丝 （ SMA ） 的形状记忆效应和大应 变超弹性性能是其他金属材料所不具备的 ， 形状记忆 效应主要是指在高温作用下对材料进行定形后 ， 当温 度降低到室温时对其施加变形保证残余变形的存在 ， 然后加热到一定温度时该材料仍然可以恢复到变形 前其原始形状的能力
第 42 卷 增刊 2012 年 11 月
建 筑 结 构 Building Structure
Vol． 42 S2 Nov． 2012
新型自复位混合阻尼器的设计分析
1 1 2 3 张 夫 ， 孙 娜 ， 刘 婺 ， 姚国树
（ 1 辽宁阜新二建工程有限公司，阜新 123000 ； 2 辽宁工程技术大学建筑工程学院，阜新 123000 ； 3 铁法煤业集团建设工程有限责任公司 ，调兵山 112700 ）
［3 ］
由形状记忆合金 SMA 丝和粘滞阻尼器所组成的 自复位复合阻尼器的内部结构组成详见图 2 。自复位 复合阻尼器主要是由形状记忆合金 SMA 丝、 活塞和 缸体组成 ， 形状记忆合金 SMA 丝主要是对称的安装 在粘滞阻尼器上 ， 并且在油缸的内外部也对 称 的 布 置， 该复合阻尼器内部油缸左右两边的容积改变量相 同， 并且其推杆直径也一致 ， 所以其构造很简单 ， 并且 密封件也很少 ， 可以较好地实现复位功能 。由于油缸 的内部空间的限制 ， 为了保证形状记忆合金 SMA 丝 的布置能够满足需要 ， 主要是通过设置滑块来实现其 往返复位运动 。
， 如图 1 所示。
1 连杆 2 外缸 3 导杆 4 密封和导向套 5 SMA 丝 6 活塞和阻尼间隙 7 硅油 8 变向滑块 9 内缸
图2 图1 形状记忆合金 SMA 模型
自复位复合阻尼器内部构造图
2 ． 2 基于形状记忆合金 SMA 丝的自复位复合阻尼器 的工作原理
其中 O 至 A 点表示的是形状记忆合金 SMA 丝奥 A 到 B 点的变形表示由力作用下形状 氏体弹性变形 ， 记忆合金 SMA 丝从奥氏体向马氏体的相变转变过程 B 到 C 点的变形表示卸载后马氏体 中所引起的变形 ， SMA 所产生的弹性恢复变形 ， C 到 O 点表示卸载后马 氏体向奥氏体的相变所产生的变形 。 由此可以得到各个阶段的方程为 ： （ 1 ） 加载阶段 ： 0， ε ∈［ ε1 ］： σ = E A ε x］： σ = E A ε1 + E A→M （ ε － ε1 ） ε ∈［ ε1 ， （ 2 ） 卸载阶段 ： 0， ε ∈［ ε1 ］： σ = E M （ ε － ε3 ） + E M→A ε3 0， ε ∈［ ε1 ］： σ = E M→A ε 则形状记忆合金丝 SMA 的抗力为
； 超弹性特性主要是指对材料
［2 ］
进行加载时 ， 产生远远大于其弹性变形极限的应变 ， 而在卸载时材料可以自动恢复的能力 。 形状记忆 合金的超弹性屈服应力在 400MPa ～ 500MPa， 其超弹 性可恢复应变一般高达 6% ～ 8% ； 其优良的超弹性特 性提供了充足的滞回耗能能力 ， 所以可以利用形状记 忆合金丝优良的超弹性性能和形状记忆特性设计出 相应的各种耗能减振器以及自复位隔震器 。 国内外专家学者层对形状记忆合金丝已经进行 了很多的理论分析和试验研究 ， 已经建立了一些形状 记忆合金 SMA 丝的本构模型 。 针对本文设计的粘滞 Ni50． 85 的 形 状 记 忆 合 金 阻尼 器， 选 用 了 Ti49． 15 、 SMA 丝， 考虑到其滞回特性 ， 其本构关系选用的是四 折线模型
自复位复合阻尼器较好的利用间隙式粘滞阻尼 器和形状记忆合金 SMA 丝的耗能机制 ： 间隙式粘滞 阻尼器中的阻尼材料在阻尼器中流动时 ， 由于与阻尼 器之间发生摩擦导致其动能转化为热能 ， 从而有效地 耗散了外界灾害荷载输入的能量 ； 形状记忆合金 SMA 丝超弹性滞回耗能的特性决定了其可以有效地提供 额外的耗能机制 。 地震发生时 ， 如果阻尼器处于拉伸状态 ， 活塞与 阻尼器的内缸会产生相对位移 ， 此时内部的硅油在流 过阻尼间隙时有效地产生阻尼 ； 并且此时形状记忆合 金 SMA 丝处于拉伸状态 ， 此时形状记忆合金 SMA 丝 和间隙式粘滞阻尼器就能协同工作在一起 ； 当阻尼器 处于平衡位置时 ， 阻尼器如果呈现出压缩运动的运动
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引言
念
［1 ］
， 设计传统保护方法是提高 建筑物的结构刚度 、 强度 、 稳定性和延性 ， 结构阻尼器 减震技术主要通过调整或改变结构的动力特性 、 传力 途径来达到减震目的 。 普通粘滞阻尼器的可以为建 筑结构提供额外的附加阻尼 ， 它主要是利用阻尼器的 粘性介质产生的阻尼力来抵抗地震荷载 、 风荷载输入 到上部结构的能量 。由于地震 、 风等灾害荷载的随机 性较大 ， 而传统的粘滞阻尼器仅仅是速度相关型的 ， 在低频荷载或者超高频荷载作用下阻尼器的耗能减 震效果较差 。 针对现有减震器的不足 ， 基于阻尼器设计的新理
2 ［5 ］
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趋势， 此时形状记忆合金 SMA 丝和间隙式粘滞阻尼 器同样会工作良好 。在低频荷载作用下 ， 间隙式粘滞 阻尼器的相对速度较小 ， 此时所产生的有效阻尼小 ， 所以此时主要是形状记忆合金 SMA 丝其主要的耗能 作用， 并且跟其伸长率密切相关 ； 在中高频荷载的作 用下， 起主要的耗能作用 ， 此时形状记忆合金 SMA 丝 可以有效地保证粘滞阻尼器不被拉伸破坏 。
Mechanism analysis of new variety of selfreplacement hybrid dampers Zhang Fu1 ，Sun Na1 ，Liu Wu2 ，Yao Guoshu3
（ 1 Second Construction Engineering Company of Fuxin City，Fuxin 123000 ，China； 2 College of Civil Engineering and Architecture，Liaoning Technical University，Fuxin 123000 ，China； 3 Tiefa Coal Group Construction Engineering，Diaobingshan 112700 ，China） Abstract： The performance of the damper is directly related to civil engineering structure damping control quality． Based on the research of common viscous damper and utilization of Shape memory alloy （ SMA ） which has shape memory characteristic and super elastic properties，this text design a new kind of SMA then selfreplacement hybrid damper． In consideration of all factors，using common viscous damper with SMA silk，achieve optimal energy effect． Firstly，the text make the SMA material mechanics performance experiment， analyze its super elastic properties and obtain material constitutive relation，then analyze working principle of the damper and working mechanism of the SMA and viscous damper which consume energy commonly． In different specifications of damper on different SMA，through the application of numerical calculation and simulation of MATLAB，this text analyze the condition of the damper displacement amplitude and loading frequency which influent on units cyclic consumption of SMA then selfreplacement hybrid damper． Through the comparative analysis，the optimal combination of various parameters，so as to achieve the optimal energy effect，make this series of damper，so that people use more convenient． Keywords： SMA damper； energy consumption； optimal combination