一種板式SMA-摩擦復(fù)合阻尼器滯回性能試驗(yàn)研究

屈俊童 盧 飛

（云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，昆明650504）

0 引 言

形狀記憶合金（shape memory alloys，SMA）是一種具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性、高阻尼、耐腐蝕和生物相容等優(yōu)良特性的新型合金材料［1］，目前廣泛應(yīng)用于電器、電子、醫(yī)療、機(jī)械和航空等領(lǐng)域。形狀記憶合金以其超彈性、高阻尼力等特性被引入到結(jié)構(gòu)減振控制領(lǐng)域［2］。

尤其是在結(jié)構(gòu)減振被動(dòng)控制領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者相繼研制了多種形式的SMA 阻尼器。Robery K 等［3］研制出一種在可相互錯(cuò)動(dòng)的圓柱上纏繞多股超彈性NiTi SMA 絲的SMA 中心引線（CT）型阻尼器；Dolce 等［4］利用 SMA 的超彈性和高阻尼特性，提出了一類自復(fù)位SMA 阻尼器；邢德進(jìn)和李忠獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)提出一種新型隨溫度阻尼力可變的智能SMA 阻尼器；任文杰和李宏男［6］設(shè)計(jì)了一種筒式SMA阻尼器，利用兩端SMA合金絲交替拉伸而耗能；薛素澤等［7］以及彭剛等［8］也提出了兩種不同形式的新型SMA阻尼器。

然而由于SMA 材料自身的原因，耗能有限且價(jià)格較高，難以廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中［9-12］。本文參考周云基于“多種耗能機(jī)制共同耗能”［13］的思想，提出一種板式SMA-摩擦復(fù)合阻尼器，并對(duì)該阻尼器進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)研究。

1 阻尼器構(gòu)造及工作原理

1.1 阻尼器構(gòu)造

板式SMA-摩擦復(fù)合阻尼器的構(gòu)造如圖1 所示，由主板1、上下副板 2、石棉板3、直徑 1mm 的超彈性SMA 合金絲4、限位圓棒5、U 形活動(dòng)凹槽6、夾具7、M14 高強(qiáng)螺栓8、預(yù)留螺栓孔9、端蓋板10 和連接板 11 組成。在主板 1 及上、下副板 2 之間嵌入石棉摩擦板3，主板1 和摩擦板3 采用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘在一塊，主板1 和上、下副板2 上分別留有M14 高強(qiáng)螺栓孔9 以及U 形活動(dòng)凹槽6，主板1與上、下副板2 間的預(yù)壓力通過(guò)扭矩扳手扭緊M14高強(qiáng)螺栓8施加，并采用二保焊將蓋板8焊接在上、下副板2 上，在兩根限位圓棒5 外側(cè)纏繞4根超彈性SMA 絲4，并通過(guò)夾具7 固定，通過(guò)改變U 形凹槽6、限位圓棒5 之間的間距，可調(diào)節(jié)阻尼器的初始剛度以及阻尼力。并對(duì)阻尼器進(jìn)行鍍鋅處理，提高阻尼器的耐腐蝕性能。

圖1 SMA-摩擦阻尼器構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of the SMA-friction damper

1.2 工作原理

板式SMA-摩擦復(fù)合阻尼器的工作原理如圖2 所示。在拉壓循環(huán)加載作用下，當(dāng)阻尼器受拉時(shí)，隨著位移荷載的增大，摩擦板3與上、下副板2間的摩擦力逐步超過(guò)其最大靜摩擦力而產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦而耗散能量。同時(shí)，由于主板1 和上、下副板2 的相對(duì)滑動(dòng)，主板帶動(dòng)一側(cè)限位圓棒5 運(yùn)動(dòng)，而另一側(cè)限位圓棒5 被上、下副板2 阻擋，從而使超彈性SMA 絲4 拉伸，提供阻尼耗能。上述兩種耗能模式共同作用，達(dá)到復(fù)合耗能減振的目的。當(dāng)阻尼器受壓時(shí)，工作原理與受拉狀態(tài)下一致。

圖2 阻尼器工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of working principle of the damper

1.3 功能特點(diǎn)

該復(fù)合耗能阻尼器兼具SMA 阻尼器與摩擦阻尼器的優(yōu)點(diǎn)：①出力明晰、構(gòu)造簡(jiǎn)單、制作維護(hù)方便；②耐腐蝕及抗疲勞性能良好；③利用摩擦板和SMA 協(xié)同工作，耗能能力良好；④初始剛度、阻尼力可調(diào)節(jié)，可滿足不同使用情況的需求?？蓮V泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)減振控制領(lǐng)域。

2 力學(xué)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

按照上述要求加工制作了該板式SMA-摩擦復(fù)合阻尼器實(shí)驗(yàn)試件，如圖3所示。阻尼器的主、副板長(zhǎng)600 mm，采用四根直徑1 mm NiTi SMA絲，纏繞于兩根限位圓棒的外側(cè)，兩塊石棉摩擦板尺寸250 mm×80 mm×20 mm，阻尼器最大位移行程±20 mm。特制夾持器如圖4（a）所示，通過(guò)夾持器將阻尼器固定在試驗(yàn)機(jī)上，裝配圖如圖4（b）所示。

采用TY8000±100 kN微機(jī)控制電子伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（試驗(yàn)機(jī)的力傳感器量程為100 kN，精度為0.5%）進(jìn)行阻尼器的拉壓循環(huán)加載試驗(yàn)，通過(guò)夾持器將阻尼器固定在試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)裝置如圖5 所示，試驗(yàn)過(guò)程由Pulse Command 系統(tǒng)位移控制，力和位移的值由試驗(yàn)機(jī)自帶傳感器測(cè)得，數(shù)據(jù)通過(guò)RS232 傳輸。參考相關(guān)循環(huán)拉壓加載試驗(yàn)，擬定如下的試驗(yàn)加載工況。

（1）工況1：加載速率為5 mm/min，位移幅值依次取10 mm、15 mm、20 mm，循環(huán)加載3次。

（2）工況2：位移幅值為10 mm，加載速率依次取 5 mm/min、10 mm/min 和 15 mm/min，循環(huán)加載3次。

圖3 新型SMA-摩擦復(fù)合阻尼器Fig.3 New SMA-friction damper

圖4 夾持器及裝配圖Fig.4 Holder and assembly drawing

圖5 試驗(yàn)設(shè)備Fig.5 Experimental installation

2.2 力學(xué)參數(shù)選取

為了分析阻尼器在上述試驗(yàn)加載方案下的力學(xué)性能，選取如下三個(gè)參數(shù)：

（1）單位循環(huán)消耗能量W，即單位循環(huán)滯回曲線面積，揭示阻尼器耗能能力的大小。

（2）割線剛度K，表達(dá)式如下：

式中：Fmax、Fmix為阻尼器的最大、最小輸出力；Dmax、Dmix為阻尼器最大、最小輸出位移。

（3）等效黏性阻尼系數(shù)ξeq，揭示阻尼器的阻尼能力，計(jì)算公式如下：

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6 為加載速率5 mm/min，不同位移幅值下阻尼器的滯回曲線；圖7 為位移幅值10 mm，不同加載速率下阻尼器的滯回曲線。由圖6 和圖7 可知：新型SMA-摩擦復(fù)合阻尼器在循環(huán)加載作用下滯回曲線穩(wěn)定，耗能性能優(yōu)良，并且隨著位移幅值的增大，滯回曲線趨于飽滿，單位循環(huán)滯回曲線的面積增大。隨著加載速率的增大，滯回曲線環(huán)向斜上方或斜下方延伸，但滯回曲線所包圍的面積無(wú)明顯變化。

圖6 工況1下阻尼器的滯回曲線Fig.6 Hysteretic curve of damper under condition 1

圖7 工況2下阻尼器的滯回曲線Fig.7 Hysteretic curve of the damper under conditional 2

阻尼器在加載速率5 mm/min 時(shí)，達(dá)到各位移幅值下的平均力學(xué)參數(shù)如表1 所示。由表1 分析可知，新型阻尼器表現(xiàn)出位移相關(guān)性，循環(huán)耗能隨著位移幅值的增大而增大，由542.0 N·m 增大到了1 582.6 N·m，其值與位移幅值具有一定的線性相關(guān)性，割線剛度由10 mm 時(shí)的3.2 kN/mm 減到20 mm 時(shí)的1.4 kN/mm，等效黏性阻尼系數(shù)在位移幅值10 mm 時(shí)最小，隨幅值增大由2.69%增大到4.49%，阻尼器呈現(xiàn)出較好的阻尼能力。

表1 工況1下阻尼器的平均力學(xué)參數(shù)Table 1 Average mechanical parameters of the damper under condition 1

阻尼器在工況2，即位移幅值10 mm 時(shí)，不同加載速率下阻尼器的平均力學(xué)參數(shù)如表2 所示。由表2 可知，不同于位移幅值對(duì)阻尼器循環(huán)耗能的影響，循環(huán)耗能能力隨著加載速率的增大而減小，其值由由542.0 N·m 減小到528.4 N·m，減小了約4.2%；割線剛度隨著加載速率的增大而增大，割線剛度由3.2 kN/mm 增大到4.0 kN/mm，增大約25%；等效黏性阻尼系數(shù)在加載速率為5 mm/min時(shí)最大，隨著加載速率增大，其值減小，由式（2）分析可知，位移幅值一定，即Dmax一定時(shí)，等效黏性阻尼系數(shù)與W成正比，與K成反比，W減小，K增大，等效黏性阻尼系數(shù)必定減小，同理，由分析式（2）可知：阻尼器K和Dmax一定時(shí)，增大阻尼器的W可提高阻尼器的等效黏性阻尼系數(shù)，而W的大小由圖7 可知，加載平臺(tái)與卸載平臺(tái)間的差值越大，滯回曲線圍成的面積也就越大，即W越大，而加、卸載平臺(tái)距離大小與SMA 拉伸耗能及摩擦板耗能有關(guān)，因此在該類新型板式SMA-摩擦復(fù)合阻尼器的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為提高阻尼器的耗能能力以及等效黏滯阻尼系數(shù)，可通過(guò)提高SMA 預(yù)拉力及數(shù)量和摩擦板與上、下副板間的接觸面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。從圖7 中可看出，不同加載速率下的滯回曲線變化不大，阻尼器各力學(xué)參數(shù)與加載速率的影響不明顯。

表2 工況2下阻尼器的平均力學(xué)參數(shù)Table 2 Average mechanical parameters of the damper under condition 2

4 結(jié) 論

本文基于“多種耗能機(jī)制共同耗能”的思想，提出一種板式SMA-摩擦復(fù)合阻尼器，并通過(guò)循環(huán)加載試驗(yàn)研究位移幅值和加載速率對(duì)阻尼器力學(xué)性能的影響，阻尼器表現(xiàn)出位移相關(guān)性，得到如下結(jié)論：

（1）隨著位移幅值的增大，單次循環(huán)耗能能力逐步增強(qiáng)，割線剛度減小，等效黏性阻尼系數(shù)增大。

（2）隨著加載速率的增大，單次循環(huán)耗能能力略有減小，但變化不大；割線剛度增大，等效黏性阻尼系數(shù)減小，但都趨于穩(wěn)定。

（3）為進(jìn)一步提高阻尼器的耗能能力和等效阻尼比，提出增加SMA 的預(yù)拉力和數(shù)量以及摩擦板與上、下副板的接觸面積，為今后阻尼器的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

（4）該板式SMA-摩擦復(fù)合阻尼器具有較穩(wěn)定的滯回性能，耗能能力良好，具有一定的應(yīng)用前景。