SMA金屬橡膠阻尼器減振效能試驗研究

孟慶利

（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽621010）

目前各國學(xué)者都在努力探索 SMA超彈性特性在振動控制領(lǐng)域的應(yīng)用[1]．研究結(jié)果表明：各種形式的 SMA減振器有一定的阻尼性能，但相對其它大阻尼的粘彈性減振結(jié)構(gòu)，其阻尼特性仍然欠缺，而且在承載力方面也有所不足，所以有必要探索新型的SMA減振器設(shè)計方案[2-4]．

近年來逐漸發(fā)展起來的擬橡膠金屬技術(shù)是一種很好的增大阻尼的方法[5-6]．由于擬橡膠金屬減振器由很多的小彈簧組成，在受到外力作用時，小彈簧之間的相互滑移產(chǎn)生的磨擦必然消耗部分能量，因此，在具備了金屬減振優(yōu)點的同時，其阻尼性能較好，所占空間體積小，制成的減振器形狀自由，有較大的應(yīng)用潛力[7-10]．此外，SMA的超彈性特性是一種特殊的滯回耗能性能，并具有較好的抗腐蝕、抗疲勞能力，較大的可恢復(fù)應(yīng)變、在工程應(yīng)用的溫度和頻率區(qū)間具有穩(wěn)定的力學(xué)性能等．

所以本文針對所提出的 SMA金屬橡膠減振器開展試驗研究，首先，通過擬靜力試驗研究 SMA金屬橡膠元件的力學(xué)特性（阻尼、剛度等）；然后，通過地震模擬振動臺試驗研究探討 SMA金屬橡膠減振器的減振效能，并提出設(shè)計建議．

1 SMA金屬橡膠阻尼器耗能減振性能

1.1 擬靜力實驗

利用MTS試驗加載設(shè)備對外徑35 mm、內(nèi)徑15 mm、高度12 mm、絲徑0.25 mm、孔隙1 mm的圓柱型中空 SMA金屬橡膠元件進行擬靜力試驗．圖1為SMA金屬橡膠元件擬靜力試驗圖．得到 SMA金屬橡膠元件力和位移滯回曲線，并分析其力學(xué)性能(主要是剛度和阻尼特性)的變化．表 1為不同頻率、不同位移幅值下 SMA金屬橡膠的剛度；圖2分別為1 mm和3 mm位移幅值下，加載頻率對SMA金屬橡膠元件力學(xué)性能的影響．

表1數(shù)據(jù)顯示在0.5 Hz加載頻率時，SMA金屬橡膠元件剛度隨位移幅值從133 N/mm一直增加到 493 N/mm，比最初剛度增大了 3倍左右，在1.5 Hz加載頻率時，SMA金屬橡膠元件剛度依然隨位移幅值增加而增大，從 142 N/mm增大 612 N/mm，比最初剛度增大了 3.5倍左右，其他加載頻率下，SMA金屬橡膠元件剛度變化趨勢基本相同．說明在相同頻率下，SMA金屬橡膠元件的剛度隨位移幅值的增大而增大．因為 SMA金屬橡膠作為一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在不受外力影響時，其內(nèi)部金屬絲之間孔隙較大，密實度低，剛度?。?dāng)受到外力作用產(chǎn)生變形時，內(nèi)部金屬絲之間孔隙變小，SMA金屬橡膠元件密實度變大，導(dǎo)致其剛度增大，而且 SMA金屬橡膠元件變形時，內(nèi)部金屬絲之間相互接觸，在接觸點處產(chǎn)生干摩擦力，使其剛度再次增大．所以在相同加載頻率下，SMA金屬橡膠的剛度隨著位移幅值的增加而增加．

圖1 SMA金屬橡膠元件擬靜力試驗圖Fig.1 Pseudo-static test of SMA pseudo-rubber metal

表1 SMA金屬橡膠元件剛度（N/mm）Tab.1 Stiffness of SMA pseudo-rubber metal

表1和圖2表明在1 mm位移幅值下，力幅值在不同頻率下差異不大，而在3 mm位移幅值下，力幅值隨加載頻率的增大而增大．當(dāng)位移幅值相同時，SMA金屬橡膠元件內(nèi)部孔隙基本相同，密實度差異不大，而導(dǎo)致剛度變化的原因很可能是金屬絲之間的干摩擦力．當(dāng)變形較小時，SMA金屬橡膠元件內(nèi)部金屬絲之間雖然已經(jīng)開始接觸，但接觸點相對較少，金屬絲之間干摩擦力很小，即使頻率增大其等效摩擦力差別也不大，所以 SMA金屬橡膠元件剛度相差不大；當(dāng)變形較大時，SMA金屬橡膠元件內(nèi)部金屬絲之間接觸點增多，金屬絲之間干摩擦力增大，在較大頻率下金屬絲來回擺動而引起的等效摩擦力也相應(yīng)增加，而且頻率越大等效摩擦力的增強效果越明顯，所以 SMA金屬橡膠元件剛度隨加載頻率增加而增大．

圖2 SMA金屬橡膠元件滯回曲線Fig.2 Hysteretic curve of SMA pseudo-rubber metal

本文采用能量耗散系數(shù) Ψ這一參數(shù)來表征金屬橡膠的干摩擦阻尼特性[8]，其計算公式為：Ψ=△W/W 其中，△W 為阻尼元件在一個周期內(nèi)耗散的能量，W為阻尼元件在變形范圍內(nèi)具有的最大變形能．表2為在不同頻率、不同幅值下SMA金屬橡膠元件的能量耗散系數(shù)．

表2 SMA金屬橡膠元件能量耗散系數(shù)Tab. 2 Energy dissipation factor of SMA pseudo-rubber metal

表2數(shù)據(jù)顯示，在0.5 mm位移幅值時，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數(shù)基本維持在 0.3左右；在 3 mm位移幅值時，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數(shù)維持在 0.13左右，隨加載頻率變化都很?。渌虞d頻率下，變化趨勢也大致相同．說明當(dāng)位移幅值相同時，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數(shù)受加載頻率影響不大．因為 SMA金屬橡膠作為一種摩擦耗能元件，其干摩擦力大小是由金屬絲之間的摩擦系數(shù)決定的[4]．而摩擦系數(shù)是材料的固有特性，與加載頻率無關(guān)．所以在位移幅值不變的情況下，即使加載頻率變化，其能量耗散系數(shù)也基本維持不變．

在 0.5Hz加載頻率下，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數(shù)隨位移幅值從0.3一直降低到0.14，約下降了50%；在2 Hz加載頻率下，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數(shù)隨位移幅值從 0.28一直降低到0.12，也降低了 50%左右．說明在相同頻率下，能量耗散系數(shù)隨位移幅值的增大而減?。驗?SMA金屬橡膠內(nèi)部金屬絲之間摩擦力由摩擦系數(shù)決定，而摩擦系數(shù)是材料固有特性，基本維持不變，因此在相同變形內(nèi) SMA金屬橡膠元件所耗散的能量△W相同，但計算能量耗散系數(shù)的最大變形能W(因剛度隨位移增大而極具增加)隨位移增大而極具增大，所以在相同頻率下，SMA金屬橡膠元件隨位移幅值增大而減?。?/p>

1.2 振動臺試驗

為研究探討 SMA金屬橡膠減振器的減振效能，利用WS-Z30小型精密振動臺系統(tǒng)，對由二組性能完全相同的 SMA金屬橡膠元件、外殼、連接桿和連接固定等組成的 SMA金屬橡膠減振器進行地震模擬振動臺試驗，SMA金屬橡膠減振器垂直安置在振動臺上，試驗時振動臺垂直向輸入地震動分量．圖 3為 SMA金屬橡膠減振器振動臺試驗圖，在 SMA金屬橡膠減振器上面固定 1kg配重塊，在配重塊上固定一個加速度傳感器，采集其豎向絕對加速度時程，在振動臺面上固定一個加速度傳感器，采集振動臺面豎向的絕對加速度時程．

圖3 SMA金屬橡膠減振器振動臺試驗圖Fig.3 Shaking table test of SMA pseudo-rubber metal

1.2.1 地震動輸入

試驗所用地震動為EL Centro波和臥龍波，EL Centro波包含頻譜成份豐富，臥龍波是四川 5.12大地震典型地震動，故選取該兩條波進行試驗測試SMA金屬橡膠減振器的減振效能，其主要特性如表3所示．

表3 輸入地震動的主要特性Tab.3 The main feature of input seismal motions

1.2.2 傳導(dǎo)比

傳導(dǎo)比γ為輸出加速度峰值與輸入加速度峰值的比值，是表征 SMA金屬橡膠減振器減振效能的重要參數(shù)之一．

表4 SMA金屬橡膠減振器傳導(dǎo)比Tab.4 Transmission radio of SMA pseudo-rubber metal

根據(jù)圖4和表4顯示輸入的地震動中，傳導(dǎo)比的值均小于1，在EL CENTRO波地震動下，得到的傳導(dǎo)比僅在 0.35左右，減振效果十分明顯，在輸入臥龍波地震動下，得到的傳導(dǎo)比大約在 0.75左右，減振效果較好．說明 SMA金屬橡膠減振器在EL CENTRO波和臥龍波地震動作用下，減振效能較好．但是在兩種地震動作用下，傳導(dǎo)比不同，說明在具有不同頻譜特性的地震動作用下，SMA金屬橡膠減振器的減振效能各不相同．綜上所述，SMA金屬橡膠減振器具有耗能減振功效．

圖4 SMA金屬橡膠減振器輸入與輸出加速度時程對比圖Fig.4 The comparison of input and output Acceleration time histories of SMA pseudo-rubber metal damper

3 結(jié)論

本文針對所提出的 SMA金屬橡膠減振器，通過 SMA金屬橡膠元件力學(xué)特性的擬靜力試驗和SMA金屬橡膠減振器的地震模擬振動臺試驗研究，得到以下結(jié)論：

(1)在相同加載頻率下，SMA金屬橡膠元件的剛度隨位移幅值的增大而增大．當(dāng)變形較小時，SMA金屬橡膠元件剛度受加載頻率影響不大，當(dāng)變形較大時，SMA金屬橡膠元件剛度隨加載頻率的增大而增大．

(2)SMA金屬橡膠元件的能量耗散系數(shù)基本不受頻率影響；但隨著位移幅值增大，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數(shù)減小．

(3)在輸入的地震動中，傳導(dǎo)比γ均小于1，其減振效果明顯．但對于不同的地震輸入，SMA金屬橡膠減振器的減振效能各不相同．因此對于不同的地震輸入和不同的結(jié)構(gòu)，要針對不同的地震動頻譜特性和結(jié)構(gòu)特點，對 SMA金屬橡膠減振器的力學(xué)參數(shù)（剛度、阻尼特性等）進行專門的設(shè)計，避免 SMA金屬橡膠減振器在地震作用下產(chǎn)生近似類共振．

References

[1] HOUSNER G. W. et al, Structural Control: Past, Present,and Future[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1997,123 (9): 897-971.

[2] GRASSER E J, COZZARELLI F A. Shape memory alloys as new materials for aseismic isolation[J]. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 1991,117 (11) :2590-2608

[3] PIEDBOEUF M C, GAUVIN R. Damping behavior of shape memory alloys: strain amplitude, frequency and temperature effects[J]. J of Sound and Vibration, 1998,214(5) : 885-901

[4]韓玉林, 李愛群, 林萍華, 等. 基于形狀記憶合金的結(jié)構(gòu)振動控制研究與展望[J]. 東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版.2000, 30(1):146-154.HAN Yulin, LI Aiqun, Lin Pinghua, et al. Research and prospect of civil structure vibration control by shape memory alloy[J]. Journal of Southeast University: Natural Science Edition, 2000, 30(1):146-154.

[5] 敖宏瑞, 姜洪源, 夏宇宏,等.金屬橡膠干摩擦阻尼系統(tǒng)動態(tài)性能分析方法的研究[J].中國機械工程,2003(23):2053-2055 AO Hongrui, JIANG Hongyuan, XIA Yuhong, et al. The study on the metal rubber dry frictional damping system dynamic performance analysis method[J].China mechanical engineering, 2003 (23): 2053-2055.

[6]姜洪源, 夏宇宏, 敖宏瑞,等.金屬橡膠構(gòu)件的性能分析與試驗研究[J].中國機械工程,2001(11):1294-1297.JIANG Hongyuan, XIA Yuhong, AO Hongrui et al. The mechanical anlyse and experimental study on pseudorubber metal element[J]. Chinese Mechanical Engineering,2001(11):1294-1297.

[7] 李化. 形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)抗震中的運用[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報,2007(26):312-315.LI hua, Application of SMA to enhancing structure seismic performance[J].Journal of Liaoning Institute of Technology, 2007(26):312-315.

[8]李玉龍, 何忠波, 白鴻柏, 等. 金屬橡膠的研究及應(yīng)用進展[J]. 兵器材料科學(xué)與工程,2001(34):103-108.LI Yulong, HE Zhongbo, BAI Hongbai et al. Advances in research and application of metal rubber[J].Ordnance Material Science and Engineering, 2001(34):103-108.

[9]孟慶利, 閻維明, 張敏政, 等. 形狀記憶合金(sma) 金屬橡膠阻尼器研制[C]//中國(北京) 國際建筑科技大會論文集, 科學(xué)出版社, 2010.MENG Qingli, YAN Weiming, ZHANG Minzheng, et al.Study on SMA pseudo-rubber metal damper[C]//3rd International Conference on Technology of Architecture and Structure (ICTAS-Beijing 2010): 159-166.

[10] 孟慶利, 閆維明, 馮軍和. 形狀記憶合金金屬橡膠阻尼器防高墩橋梁地震碰撞振動臺試驗研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2012,38(2): 201-206.MENG Qingli, YAN Weiming, FENG Junhe, Shaking table testing of seismic pounding of high-pier bridge with an SMA PRM damper[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2012,38(2): 201-206.