SMA耗能阻尼器性能测试与回归分析

新型材料―形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用摘要形状记忆合金（SMA）是一种在结构振动控制领域具有广阔应用前景的智能材料。

本文介绍了形状记忆合金最显著的两个特性：形状记忆效应和超弹性，并详细总结了形状记忆合金在结构振动控制中的应用。

关键词：形状记忆合金；减振；应用abstract形状记忆合金是一种智能材料，在结构振动控制领域有着广阔的应用前景。

本文介绍了形状记忆合金的两个重要特性：形状记忆效应和超弹性，总结了其最新的应用说明。

关键词：形状记忆合金；阻尼；应用1前言形状记忆合金是一种新型功能材料，具有许多特殊的力学性能。

与其他金属耗能器相比，采用形状记忆合金超弹性效应（SE）设计的被动耗能器具有耐久性好、耐腐蚀性好、使用寿命长、变形量大、变形恢复快等一系列优点，因此在结构振动控制领域具有良好的应用前景[1-4]。

形状记忆合金被设计成耗能器用于土木工程结构的振动控制是从上世纪90年代初开始的,并且到目前为止,大多数研究主要针对形状记忆合金的超弹性性能展开。

例如,graesser[5]等人提出的用于桥梁结构的2形状记忆合金的发展历史形状记忆合金的形状记忆效应早在1932年就被美国学者olander在aucd合金中发现了，在1948年苏联学者库尔久莫夫等曾预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变，在1951年张禄经和t.a.read报道了原子比为1:1的csci型aucd合金在热循环中会反复出现可逆相变，但是都未引起人们足够的注意。

形状记忆合金是一种新型功能材料，1963年成为一个独立的学科分支。

当时，美国海军武器实验室W.J.Buehler博士领导的研究团队发现，由于温度不同，镍钛合金的工作性能有显著差异，这表明合金的声学阻尼性能与温度有关，通过进一步研究，研究发现，原子比接近等的Ni-Ti合金具有良好的形状记忆效应，并报道了X射线衍射的研究结果。

后来，镍钛合金作为商品进入市场，原子比几乎相等的镍钛合金商品被命名为镍钛诺。

SMA在土木工程中的应用研究综述发表时间：2020-12-08T10:40:40.573Z 来源：《基层建设》2020年第23期作者：李东翰[导读] 摘要：形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）作为一种新型的功能材料，受到土木工程界的广泛关注。

中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司青岛分公司山东青岛 266000摘要：形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）作为一种新型的功能材料，受到土木工程界的广泛关注。

本文综述了近十几年来SMA在土木工程中的应用，分别对耗能阻尼器、耗能支撑系统和梁柱节点进行了总结和归纳。

指出存在的问题和今后的发展方向。

关键字：形状记忆合金（SMA）；土木工程；应用1 引言形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种新型的功能性材料，具有独特的阻尼性能、形状记忆效应和超弹性效应。

国内外的很多学者对SMA在土木工程中的应用进行了大量的理论和实验研究，并取得了一定成果。

本文对SMA在土木工程中的应用进行了综述，并对今后的研究进行展望。

2 SMA材料的特点当SMA的温度高于奥氏体相变完成温度时，若加载应力超过弹性极限应力后继续加载SMA发生变形，此时，若卸载则SMA产生马氏体逆相变而恢复到奥氏体相状态，SMA变形将回复到初始状态。

此为SMA的超弹性效应。

SMA材料在马氏体状态下发生变形，经过加热升温至完全奥氏体状态时，材料恢复到变形前的形状。

这种特性为SMA的形状记忆效应。

另外，SMA还有高阻尼性能、滞后性能、高耐久性和抗疲劳性能等优良特性。

3 SMA在土木工程中的应用自上个世纪90年代初Graesser[1]等将SMA引入结构振动控制并进行相关研究以来，不少国内外学者对SMA在土木工程中的应用研究也陆续展开。

例如Indirli[2]采用SMA对1996年经历了4.5级地震的意大利San Giorgio教堂进行了修复。

带自复位功能的耗能减震阻尼器研究进展宋永生;王际帅;宣卫红;郭彤【摘要】传统的耗能支撑在强震作用后,往往产生不可修复的残余变形,给震后结构的修复和重建带来较大的困难.由于可恢复功能耗能支撑具有复位、耗能和大幅减小结构残余变形的优点,根据支撑的复位形式,分类介绍了现有不同类型的可恢复功能支撑的构造、工作原理和研究结果,并概述了现有支撑的优缺点和发展趋势.【期刊名称】《金陵科技学院学报》【年(卷),期】2019(035)001【总页数】7页(P40-46)【关键词】自复位;耗能支撑;残余变形;预应力筋;碟形弹簧;记忆合金【作者】宋永生;王际帅;宣卫红;郭彤【作者单位】金陵科技学院建筑工程学院,江苏南京211169;东南大学土木工程学院,江苏南京210096;金陵科技学院建筑工程学院,江苏南京211169;东南大学土木工程学院,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TU352.1地震灾害是对人类生命和财产威胁最大的自然灾害之一，给人类文明和社会发展带来了不可估量的损失。

1950—1995年，中国地震死亡人数为27.47万～27.5万，经济损失为70.1亿美元［1］。

1990—2014年中国地震灾害死亡人数为7.4万人，直接经济损失为10 605.81亿元［2］。

地震灾害往往给建筑结构带来严重的损伤、破坏甚至导致建筑倒塌。

文献［3］指出：钢支撑框架的支撑构件在层间位移角达到0.25%～0.4%的时候开始弯屈或屈服；钢框架或混凝土框架在层间位移角达到0.9%～1.25%的时候达到屈服；多种建筑外层和隔墙在层间位移角达到0.3%的时候开始破坏，在1%的时候破坏严重。

为减少地震灾害对建筑结构的影响，现有建筑结构的设计和加固通常是在建筑结构内设置消能隔减震装置来耗散地震输入能量，常用的做法有增设耗能支撑、增设隔震支座等。

消能隔减震装置在结构遭受地震作用时产生阻尼力做功消耗地震输入能量，从而减小了主体结构的地震响应。

新型SMA阻尼器在古塔抗震监测中的应用王凤华;黄襄云;王伟明【摘要】利用形状记忆合金(SMA)的超弹性滞回耗能特性,设计出一种适合古塔抗震监测的新型SMA阻尼器,通过从试验得出的SMA阻尼器恢复力公式,建立SMA 阻尼器电阻特性简化模型,得出其器恢复力和SMA丝电阻之间的关系,再通过安装了SMA阻尼器的受控古塔结构运动方程,算出古塔每个质点的位移,从而判断古塔在地震中的震害情况,实现对古塔的健康监测,为古塔等类似古建筑结构的抗震加固和健康监测提供借鉴.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2015(037)001【总页数】3页(P55-57)【关键词】新型SMA阻尼器;古塔;抗震;监测【作者】王凤华;黄襄云;王伟明【作者单位】广东建设职业技术学院,广州510440;广州大学工程抗震研究中心,广州510405;广东建设职业技术学院,广州510440【正文语种】中文【中图分类】TU352.1古塔历史悠久，体现了我国古代建筑技术杰出成就［1－3］，其抗震保护方法也和一般建筑物完全不同，它是一门独特的、且专业性很强的综合性技术。

国内外对古塔灾变保护的研究仍处于起步阶段，许多关键理论和关键技术问题并没有解决。

因此，要在尽量保持古塔历史、艺术、文物和科学价值的前提下，遵循“保护第一”和“修旧如旧”的古建筑保护原则，对古塔结构进行抗震监控与保护，准确掌握现存古塔结构的抗震保护机理以及实时监控其在地震或强风等作用下的灾害破坏过程，同时又能有效地提高其抵抗各种强灾害的能力，以确保现存古塔建筑的完整性和结构可靠性，使之能够久远地传承下去，现代结构振动控制理论和性能良好的形状记忆合金材料为我国古塔的抗震监控与保护提供了一个新途径。

目前，国内外很多学者已经在这方面开展了的理论和方法研究［4－7］，本文根据古塔的特点设计了适合古塔抗震监测的新型SMA阻尼器，把它作为传感和驱动器，安装在古塔结构中，通过测量阻尼器中SMA丝的电阻，感知材料内部的应变状态，从而推测古塔是否处于危险状态，实现对古塔的健康监测。

新型SMA阻尼器及结构减震控制应用研究的开题报告
一、选题背景
地震是一种常见的自然灾害，它给人们的生命财产造成了巨大的威胁和冲击。

当建筑物遭受地震冲击时，会产生严重的地震损伤和威胁人们的安全。

因此，研究并开
发新型结构减震技术已成为解决建筑地震安全问题的重要途径。

二、研究任务
本研究将从两个方面入手，一方面研究新型SMA阻尼器在结构减震中的应用；
另一方面研究结构减震控制技术的应用方法和优化策略，以提高减震效果。

三、研究方法
本研究将采用实验室测试和数值模拟两种研究方法。

1. 实验室测试
本研究将搭建适合于进行结构减震技术研究的实验室，并安装新型SMA阻尼器。

通过对不同频率与振幅的外力加在建筑物上进行试验，测试新型SMA阻尼器的减震效果。

2. 数值模拟
本研究将采用有限元方法对建筑物进行数值模拟，并将新型SMA阻尼器等减震
控制技术引入模拟，以研究它们对建筑物在地震中的响应和减震效果。

四、研究目标和意义
1. 目标
(1) 研究新型SMA阻尼器在结构减震中的应用效果。

(2) 探究减震控制技术的应用方法和优化策略，提高减震效果。

2. 意义
(1) 研究新型结构减震技术在实际建筑中的应用，有助于提高地震安全性。

(2) 探究减震控制技术的应用方法和优化策略，有助于提高建筑物的减震效果。

(3) 该研究成果有助于推动结构减震控制技术的发展和推广，为地震灾害防治工
作做出贡献。

以上是对新型SMA阻尼器及结构减震控制应用研究开题报告的说明，希望对您有所帮助。

新型耗能增强型形状记忆合金阻尼器减震性能研究作者：陈云吕西林蒋欢军来源：《湖南大学学报·自然科学版》2013年第02期摘要：首先通过形状记忆合金的材性试验研究了其超弹性变形性能，并将其等效拟合为多线性模型，得到其计算参数.然后，提出了一种新型耗能增强型SMA阻尼器，说明了其构造，阐述了其工作原理和设计要点，推导了阻尼器的恢复力模型.最后通过有限元程序对设置该阻尼器的多层钢框架、对角设置SMA拉索的多层钢框架、普通钢框架进行了地震时程分析，对比研究了该阻尼器的消能减震能力.结果表明该阻尼器的滞回环非常饱满，耗能能力强，大震下对结构的位移和层间位移角控制效果显著.关键词：SMA阻尼器；减震性能；滞回耗能；动力时程分析中图分类号：TU 352.1 文献标识码：A形状记忆合金（shape memory alloys，简称SMA）是一种机敏材料，主要有两个特性：形状记忆性能和超弹性性能＼[1＼].利用SMA的形状记忆性能可制作成驱动元件，进行结构主动控制，利用SMA的超弹性性能和高阻尼特性可制成各种构造形式的SMA阻尼器，进行结构被动控制.相比较其他类型的阻尼器，SMA阻尼器的一个突出优点是阻尼器耗能后残余变形很小.目前开发的SMA阻尼器种类较多，大多数阻尼器是用SMA丝（SMA束或SMA绞线）制成.Tamai等＼[2＼]把SMA丝设置在框架的对角进行振动控制，并研究了其耗能性能；Corbi ＼[3＼]提出了把SMA拉索设置在剪切框架的底部对角进行隔震，研究表明能有效地减小结构的动力反应，增大结构的自复位能力；丁阳等＼[4＼]通过数值模拟的方法研究了高层钢结构地震反应SMA对角拉索控制效果；韩玉林等＼[5＼]通过试验研究了把SMA拉索设置在框架对角的控制效果，研究表明设置了SMA拉索的框架振动反应衰减较快.利用SMA制成各种构造形式的阻尼器也很多，Li Hui等＼[6＼]利用SMA 超弹性特性开发了2种新型的SMA 阻尼器——拉伸型SMA 阻尼器和剪刀型SMA 阻尼器，其中剪刀型SMA阻尼器通过改变剪刀的力臂可以达到位移放大的效果；Dolce 等＼[7＼]设计了一种具有自复位能力的阻尼器；Zhang等＼[8＼]采用超弹性SMA铰线设计了一种可以重复使用的迟滞阻尼器（RHD）；Zuo等＼[9＼]提出了一种SMA复合摩擦阻尼器；薛素铎等＼[10-12＼]设计了几种不同类型的SMA阻尼器；Song 等＼[13＼]比较详细地总结了SMA阻尼器在土木工程中的若干应用；李宏男等＼[14-15＼]也开发了几种SMA阻尼器；禹奇才等＼[16＼]提出了一种放大位移型SMA阻尼器；倪立峰等＼[17＼]也提出了SMA阻尼器；凌育洪等＼[18＼]也研发了一种新型SMA 阻尼器.总之，目前开发的SMA阻尼器种类较多，但大多数不具备放大SMA位移反应的功能.为此，本文研究思路是首先通过材性试验研究了SMA丝滞回性能并确定了计算所需的SMA参数，提出一种SMA阻尼器，阐述了其设计要点，推导了恢复力模型，最后通过算例对比研究了SMA阻尼器的减震性能.湖南大学学报（自然科学版）2013年第2期陈云等：新型耗能增强型形状记忆合金阻尼器减震性能研究1SMA的力学性能鉴于随后要对SMA阻尼器在有限元程序里进行模拟计算，需要预先确定SMA的输入参数，特对SMA进行力学性能试验.试验选用的SMA为Ti50.8%Ni的SMA丝.SMA丝的最大可回复应变为8%，最大回复应力为600 MPa.试件有效长度为150 mm，直径为1.0 mm.拉伸试验装置为微机控制电子万能试验机，采用50 mm标距的引伸仪测量位移.试验时首先在室温下进行拉伸、卸载循环试验，使材料的超弹性性能稳定，然后开始加载、卸载，绘制应力应变曲线.将试验所得SMA的应力应变曲线等效拟合后得到的应力应变曲线如图1所示，SMA的弹性模量为58 000 N/mm2，泊松比取0.3，在程序里SMA的超弹性性能曲线被简化成多段线性直线，其拟合参数取值如表1所示阻尼器安装在结构中所耗散能量的大小既与阻尼器自身的性能有关，也与阻尼器安装位置处结构的相对变形大小有关.因此，在阻尼器已经确定的前提下，如何在结构相对变形合理的情况下增大阻尼器的位移行程就是一个有意义的问题.本文所开发的SMA阻尼器可以放大SMA丝的变形，在同样结构变形的条件下，该阻尼器可以耗散更多的能量.其依据是杠杆原理和平行四边形形状可以改变的性质.阻尼器主要由4根钢杆和两组SMA 丝（束或绞线）组成，4根钢杆分成两组，每组两根钢杆之间通过销栓组成一个剪刀撑， SMA 丝固定在剪刀撑较长一端的端部，两个剪刀撑较短一侧的端头之间通过销栓连接在一起组成一个平行四边形.阻尼器通过两根斜撑与结构的对角位置铰接在一起.其构造示意图如图2所示在Pasadena波作用下，SMA阻尼器控制结构的层位移和层间位移角也能得到较好地控制，最大分别达到22.02%和20.96%，而对角拉索的控制效果最大仅为3.00%和2.99%，控制效果较差.在Taft波作用下，除了3层的层间位移角控制效果较好外，SMA阻尼器控制结构和对角拉索控制结构的层位移和层间位移角大多数时候稍大于无控结构，最大不超过10%，原因可能是SMA阻尼器控制结构和对角拉索控制结构的基本周期接近Taft波的卓越周期导致的，但从随后的SMA拉索滞回耗能曲线可知，SMA阻尼器仍然发挥了较好的耗能作用.对于SMA阻尼器控制结构，底层平均层间位移角为1/85，最大层间位移角为1/76，无控结构和对角拉索控制结构底层最大层间位移角分别达到1/60和1/62.其次，比较图中两个结构SMA拉索的滞回环可以明显看出，SMA阻尼器控制结构中SMA拉索的滞回环非常饱满，而对角拉索控制结构的SMA滞回环窄了很多.在3条波的分别作用下，前者的应变范围平均达到1.5%～7.5%，后者的应变范围仅为3.2%～5.8%，前者应变幅度平均增大了2倍左右；比较应力的变化范围，前者的应力变化范围平均为127 ～528N/mm2，后者的应力变化范围为181～423 N/mm2，应力幅度平均增大了1.66倍左右，进一步表明SMA阻尼器具有显著增强耗能的作用.有限元分析得到的SMA拉索的滞回环与实测的SMA应力应变曲线的形状基本一致，表明有限元程序里SMA的本构模型能较好地模拟SMA的超弹性性能.4结论本文首先通过材性试验研究了SMA丝材的超弹性变形性能和参数取值，然后提出了一种耗能增强型SMA阻尼器，阐述了其构造和工作原理，推导了其恢复力模型，最后通过对比研究进行了地震时程分析，得出以下初步结论：1）SMA材性试验表明，SMA的滞回环较饱满，超弹性变形性能较好.在实际应用时可将其等效为多线性模型，分析表明与程序中的超弹性本构吻合较好.2）地震时程分析表明，该SMA阻尼器对结构的层位移和层间位移角具有显著控制效果，最大控制效果分别达到了34.1%和33.97%，而对角SMA拉索对结构层位移和层间位移角控制效果一般；SMA阻尼器和对角SMA拉索相同，对结构加速度反应控制效果一般，设置SMA 阻尼器和对角SMA拉索后结构构件承受的层间剪力略有减小.3）SMA阻尼器中SMA拉索滞回环非常饱满，通过其位移放大作用，SMA拉索的耗能能力能够充分发挥，相反对角SMA拉索滞回环较窄，导致SMA拉索的耗能能力未能得到充分发挥.4）从经济价值上考量，制约SMA大规模应用的一个障碍是SMA的价格较贵，因此必须充分利用其价值，对角SMA拉索和本文的SMA阻尼器使用了同样重量的SMA丝，但控制效果却远胜前者，因此其经济价值较大，有助于SMA在结构振动控制中的推广应用.参考文献[1]王社良. 形状记忆合金在结构控制中的应用＼[M＼]. 西安：陕西科学技术出版社，2000：5-33.WANG Sheliang. 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SMA 弹簧－摩擦支座的滞回性能研究庄鹏;薛素铎;韩淼;聂攀;王文婷【摘要】Here,hysteretic performance of a new type of isolator called shape memory alloy (SMA)spring-friction bearing (SFB)was studied both experimentally and theoretically.Firstly,large scale superelastic NiTi SMA helical springs used for SFB were developed.Then,a SFB specimen was designed and fabricated.Secondly,the quasi-static tests for SFB under different loading conditions were conducted to study the influences of vertical pressure,displacement amplitude and loading frequency on SFB hysteretic curves and mechanical parameters,such as,equivalent stiffness, energy dissipation per cycle,equivalent damping ratio and equivalent kinetic friction coefficient.Finally,combining the restoring force model of SMA spring and the model of friction force,a simplified restoring force model for SFB was established and this model was employed to simulate the hysteretic behavior of the proposed isolation device.The results showed that SFB provides full hysteretic curves,an excellent energy dissipation capacity and a certain re-centering ability;moreover,the numerical results agree well with those of tests to verify the correctness of the restoring force model for SFB.%研究一种新型形状记忆合金弹簧－摩擦支座（SMA Spring-Friction Bearing，SFB）的滞回性能。

文章编号：1000-4750(2021)01-0109-10一种新型自复位SMA 支撑的抗震性能试验研究胡淑军1,2，顾 琦1，姜国青3，熊进刚1,2(1. 南昌大学建筑工程学院，江西，南昌 330031；2. 江西省近零能耗建筑工程实验室，江西，南昌 330031；3. 洪都建设集团有限公司，江西，南昌 330029)摘 要：有效提高支撑的延性和耗能能力以及减小支撑的残余变形，是提高建筑结构抗震性能和震后功能恢复能力的重要手段之一。

该文基于形状记忆合金(SMA)的自复位性能和滑移螺杆摩擦耗能等思想，提出一种抗震性能良好和自复位能力强的新型自复位SMA 支撑。

对五个不带SMA 的支撑和六个自复位SMA 支撑进行低周往复加载试验研究，得到了支撑的滞回曲线、骨架曲线、割线刚度、耗能能力、承载能力和自复位能力等抗震性能指标。

试验结果表明：所提出的自复位SMA 支撑具有良好的耗能能力、承载能力、延性及自复位能力，整个试验过程中各板件未达到屈服，且SMA 可复位至初始状态，无任何构件发生损伤；各自复位SMA 支撑试件的滞回曲线均较饱满且大致呈现旗帜型，最大自复位率达到93.7%。

所提出的自复位SMA 支撑具有良好的抗震性能，可作为自复位阻尼器使用。

关键词：形状记忆合金；自复位；滞回曲线；割线刚度；抗震性能中图分类号：TG139+.6；TU352.1+1 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0087EXPERIMENTRAL STUDY ON SEIMEIC PERFORMANCE FOR ANINNOVATIVE SELF-CENTERING SMA BRACEHU Shu-jun 1,2, GU Qi 1, JIANG Guo-qing 3, XIONG Jin-gang1,2(1. School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang, Jiangxi 330031, China;2. Jiangxi Provincial Engineering Laboratory of Nearly Zero Energy Building, Nanchang, Jiangxi 330031, China;3. Hongdu Construction Group Co. Ltd., Nanchang, Jiangxi 330029, China)Abstract: During rare earthquake, the effective improvement of the ductility and energy dissipation capacity and reduction of residual deformation of a brace is currently in higher demand to ensure the seismic safety and seismic resilience capacity. Based on the ideals of shape memory alloy (SMA) and friction slip, an innovative self-centering brace with low friction and SMA is developed, which has the advantage of good seismic performance,high self-centering capacity and zero damage. Low frequency cyclic tests were carried on five non-SMA brace specimens and six self-centering SMA brace specimens, thusly the hysteresis curves, skeleton curves, secant stiffness, energy dissipation capacity and self-centering ratio of these specimens can be investigated. The test results show that: the self-centering SMA braces proposed have excellent energy dissipation capacity, bearing capacity, ductility and self-centering capacity, while all the steel plates in the specimens remain elastic without any yielding during the test, and the SMA in the specimens can return to the initial state. In addition, hysteretic behavior of the brace can be idealized as a flag-shape with little residual deformation, and the self-centering ratio has reached 93.7%. Therefore, the innovative brace has excellent seismic performance, which can be used as a self-centering damper.Key words: shape memory alloy (SMA); self-centering; hysteresis curve; secant stiffness; seismic performance收稿日期：2020-02-14；修改日期：2020-04-20基金项目：国家自然科学基金项目(51768044，51908268，51968047)；江西省博士后科研择优资助项目(2019KY57)通讯作者：熊进刚(1970−)，男，江西人，教授，博士，主要从事结构抗连续性倒塌、结构优化等方面研究(E-mail: ********************.cn ).作者简介：胡淑军(1985−)，男，江西人，副教授，博士，主要从事钢结构消能减震技术、结构优化等方面研究(E-mail: ****************.cn );顾　琦(1994−)，男，江西人，硕士生，主要从事可恢复功能结构方面的研究(E-mail: *****************);姜国青(1963−)，男，江西人，高工，本科，主要从事装配式建筑施工技术应用等方面研究(E-mail: *****************).第 38 卷第 1 期Vol.38 No.1工 程 力 学2021年1 月Jan.2021ENGINEERING MECHANICS109当前建筑结构的抗震性能和震后快速恢复能力被日益重视[1]。