賓 帥，孫洪鑫，王修勇，禹見達(dá)，楊國松

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭 411100）

超彈性SMA絲力學(xué)性能試驗(yàn)及新型阻尼器設(shè)計(jì)

賓 帥，孫洪鑫*，王修勇，禹見達(dá)，楊國松

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭 411100）

通過大量工況下的超彈性形狀記憶合金絲循環(huán)拉伸試驗(yàn)，分析不同絲徑、循環(huán)次數(shù)、加載速率、應(yīng)變幅值、環(huán)境溫度等因素對(duì)超彈性SMA應(yīng)力應(yīng)變曲線及各力學(xué)性能參數(shù)的影響，得出影響SMA超彈性性能的主要因素及變化規(guī)律.結(jié)果表明，應(yīng)變幅值和加載速率是影響SMA耗能能力的主要因素，且經(jīng)一定次數(shù)循環(huán)拉伸訓(xùn)練后SMA能具備穩(wěn)定的耗能阻尼性能，是制作阻尼器用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的理想材料.基于應(yīng)變幅值對(duì)SMA絲耗能效果的影響，文章設(shè)計(jì)了一種位移旋轉(zhuǎn)放大型SMA阻尼器，能放大SMA絲的變形，增強(qiáng)其在結(jié)構(gòu)小位移時(shí)的耗能效果.

形狀記憶合金；超彈性；力學(xué)性能；影響因素；SMA阻尼器

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱SMA）是近年來吸引工程界眾多學(xué)者廣泛研究應(yīng)用的一種重要新型功能材料，具有超彈性、高阻尼特性、較大的可恢復(fù)變形能力，以及耐腐蝕抗疲勞等顯著特點(diǎn)［1－2］.它的超彈性效應(yīng)表現(xiàn)為當(dāng)溫度大于奧氏體相變完成溫度時(shí)，在外力作用下形狀記憶合金具有比一般金屬大得多的變形恢復(fù)能力，即加載過程中產(chǎn)生的大應(yīng)變會(huì)隨著卸載而恢復(fù)到初始狀態(tài).超彈性SMA即材料本身相變溫度低于常溫，以使其超彈性效應(yīng)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中能得到更好發(fā)揮.

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)開展了不少關(guān)于SMA性能試驗(yàn)和應(yīng)用研究的工作［3－12］.左曉寶［3］、錢輝等［4］進(jìn)行了考慮溫度等因素的SMA絲力學(xué)性能試驗(yàn)；張紀(jì)剛［5］通過設(shè)計(jì)不同臺(tái)形的組合連接關(guān)系研制了一種錐形SMA阻尼器；OZBULUT［6］、錢輝［7］、薛素鐸等［8］進(jìn)行了復(fù)合摩擦型SMA阻尼器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究；禹奇才等［9］提出了一種放大位移型SMA阻尼器；李惠等［10－11］進(jìn)行了新型SMA阻尼器的設(shè)計(jì)分析與減震性能研究；DIENG等［12］還研究了用超彈性SMA絲制作阻尼裝置用于斜拉索振動(dòng)控制的效果.SMA阻尼裝置不斷被研究發(fā)展，但其中多數(shù)不具備放大SMA變形的功能.為此，本文詳細(xì)比較了不同直徑SMA絲的滯回耗能效果，探究不同循環(huán)次數(shù)、加載速率、應(yīng)變幅值、環(huán)境溫度等各影響因素對(duì)SMA滯回曲線和力學(xué)參數(shù)的影響，進(jìn)而分析了SMA的力學(xué)行為的主要影響因素和變化規(guī)律；并基于SMA耗能性能特點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種位移旋轉(zhuǎn)放大型SMA阻尼器，能將SMA絲的變形放大為外部結(jié)構(gòu)位移的若干倍，增強(qiáng)了SMA絲在結(jié)構(gòu)小位移時(shí)的耗能效果發(fā)揮.

1 SMA性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)選取超彈性NiTi形狀記憶合金絲，合金成分Ti－50.8at%Ni，奧氏體相變完成溫度Af為－5℃，絲徑分別為1 mm、2 mm，試件長為180 mm，標(biāo)距為100 mm.試驗(yàn)裝置采用MTS Landmark電液伺服試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，試驗(yàn)過程采用簡諧波做循環(huán)拉伸，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，試驗(yàn)結(jié)果由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集.為保證試樣夾緊且伸直，試驗(yàn)前對(duì)SMA絲施加微預(yù)應(yīng)力以張緊.

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)超彈性SMA絲進(jìn)行大量工況下的循環(huán)拉伸試驗(yàn)，考慮不同絲徑、循環(huán)次數(shù)、加載速率、應(yīng)變幅值以及環(huán)境溫度等因素對(duì)超彈性SMA絲力學(xué)性能的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析了滯回耗能量、各態(tài)相變應(yīng)力、殘余應(yīng)變等力學(xué)性能參數(shù).考慮不同因素下的各工況，具體加載工況見表1（除工況1、4、7外，均經(jīng)加載速率0.1 Hz、應(yīng)變幅值7%的30次循環(huán)拉伸訓(xùn)練后再進(jìn)行試驗(yàn)）.

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental items

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 循環(huán)次數(shù)對(duì)SMA絲力學(xué)性能的影響

設(shè)試驗(yàn)力－位移曲線所包圍的面積為耗散能量ED.等效粘滯阻尼系數(shù)Ceq＝ED／πωρ2，式中，ED為能量耗散、ω為振動(dòng)頻率、ρ為位移幅值.

以試驗(yàn)工況（表1）中工況1下（應(yīng)變幅值6%，加載速率為0.5 Hz、0.1 Hz時(shí)）的試驗(yàn)結(jié)果為例，得出的SMA應(yīng)力－應(yīng)變曲線、滯回耗能關(guān)系曲線、等效阻尼系數(shù)關(guān)系曲線等見圖1.

2.2 加載速率對(duì)SMA絲力學(xué)性能的影響

以試驗(yàn)工況表中工況2、工況5的試驗(yàn)結(jié)果得出不同加載速率下的SMA應(yīng)力－應(yīng)變曲線、滯回耗能關(guān)系、等效阻尼系數(shù)關(guān)系見圖2.

2.3 應(yīng)變幅值對(duì)SMA絲力學(xué)性能的影響

以試驗(yàn)工況表中工況3、工況6的試驗(yàn)結(jié)果得出不同應(yīng)變幅值下的各參數(shù)關(guān)系曲線，見圖3.

圖1 循環(huán)次數(shù)對(duì)SMA絲各力學(xué)性能參數(shù)的影響Fig.1 Effect of cyclic number on mechanical properties of SMA wire

圖2 加載速率對(duì)SMA絲各力學(xué)性能參數(shù)的影響Fig.2 Effect of loading rate on properties of SMA wire

2.4 不同絲徑的影響

直徑1、2 mm的SMA絲在6%、7%、8%幅值下循環(huán)拉伸30次后的力－位移曲線對(duì)比見圖4.圖中1 mm絲徑的曲線沿位移方向呈狹長狀而2 mm絲徑的曲線沿力方向呈狹長形.2 mm絲徑的不同幅值下曲線近似平移，且殘余應(yīng)變較1 mm絲徑時(shí)大很多.

2.5 環(huán)境溫度的影響

以試驗(yàn)工況表中工況2、工況8得出的不同環(huán)境溫度下的試驗(yàn)結(jié)果見圖5.

3 位移旋轉(zhuǎn)放大型SMA阻尼器設(shè)計(jì)

3.1 新型SMA阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述材料性能試驗(yàn)分析，應(yīng)變幅值是影響SMA耗能效果的最主要因素且其高效耗能應(yīng)變幅值區(qū)間較大；同時(shí)，考慮到采用預(yù)拉的方法既難于實(shí)現(xiàn)，不便應(yīng)用又會(huì)損失和弱化SMA絲的耗能效果，為能更充分地發(fā)揮SMA阻尼器在結(jié)構(gòu)小位移時(shí)的耗能應(yīng)用效果，本文通過加入滾珠絲杠的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種位移旋轉(zhuǎn)放大型形狀記憶合金阻尼器，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖6.

圖3 應(yīng)變幅值對(duì)SMA絲各力學(xué)性能參數(shù)的影響Fig.3 Effect of strain amplitude on the properties of SMA wire

3.2 新型SMA阻尼器工作原理

本文新型SMA阻尼器的運(yùn)作原理：當(dāng)推拉桿（即滾珠絲杠螺桿）受到拉壓力產(chǎn)生軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠絲杠螺桿的推拉來回直線運(yùn)動(dòng)通過內(nèi)部機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成滾珠絲杠螺母的正反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)超彈性SMA絲旋轉(zhuǎn)拉伸，從而實(shí)現(xiàn)SMA絲位移行程的放大.該阻尼器通過位移旋轉(zhuǎn)裝置既能保證SMA絲的始終受拉和自復(fù)位，還能將SMA絲的變形放大為外部結(jié)構(gòu)位移的若干倍，使耗能裝置在結(jié)構(gòu)相對(duì)位移較小時(shí)同樣具有較大的變形量，由此拓寬了SMA阻尼器的工程應(yīng)用范圍.

圖4 直徑2 mm SMA絲在各因素下的曲線關(guān)系圖Fig.4 Curve diagram of diameter 2 mm SMA wire under various factors

圖5 環(huán)境溫度對(duì)SMA絲的影響Fig.5 Effect of environmental temperature on SMA wire

圖6 位移旋轉(zhuǎn)放大型SMA阻尼器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖Fig.6 Structure diagram of SMA damper with displacement rotation and magnification

3.3 新型SMA阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

該阻尼器安裝前，可根據(jù)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制要求選用不同的機(jī)構(gòu)參數(shù)，以此來確定SMA絲位移行程放大幅度，實(shí)現(xiàn)不同的效果，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)見圖7.

圖7 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.7 The rotating mechanism parameters diagram

推導(dǎo)可知在外部相同直線位移下，本文新型阻尼器SMA絲的變形放大系數(shù)：

圖8 放大系數(shù)隨滾珠絲杠導(dǎo)程變化的關(guān)系圖Fig.8 The relationship diagram of the amplification coefficient with the change of the ball screw lead

（2）當(dāng)選取滾珠絲杠螺桿的導(dǎo)程l＝4 mm時(shí)，直線位移變化l／2＝2 mm，放大系數(shù)n隨直線位移變化的關(guān)系如圖9.表明該符合現(xiàn)實(shí)工藝條件的備選導(dǎo)程合理適用、放大效果佳.

圖9 放大系數(shù)隨直線位移變化的關(guān)系Fig.9 The relationship between the amplification coefficient and linear displacement

4 結(jié) 論

（1）經(jīng)數(shù)十次循環(huán)拉伸訓(xùn)練后，SMA絲殘余應(yīng)變極小，耗能性能趨于穩(wěn)定，且對(duì)比發(fā)現(xiàn)經(jīng)加載速率0.1 Hz的訓(xùn)練后材料耗能效果更佳.不同直徑SMA絲的滯回曲線變化趨勢大致相同，而絲徑1 mm時(shí)的屈服平臺(tái)更為明顯，選用直徑1 mm SMA絲的超彈性及滯回耗能效果相對(duì)更好.SMA絲耗能量隨加載速率增加呈不同幅度的減小，加載速率較小時(shí)加、卸載屈服平臺(tái)更為明顯.在常溫環(huán)境下，滯回耗能量隨溫度變化的影響很小，為進(jìn)一步阻尼器制作應(yīng)用的參數(shù)確定（如選用絲徑）及適用條件（如環(huán)境溫度、加載速率可行區(qū)間）提供了基礎(chǔ).

（2）應(yīng)變幅值是影響超彈性SMA絲耗能能力的最主要因素.SMA絲耗能量隨應(yīng)變幅值的增大而顯著增加，SMA絲在大應(yīng)變時(shí)的耗能效果發(fā)揮更為充分.

（3）基于SMA材料性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種位移旋轉(zhuǎn)放大型SMA阻尼器，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和放大效果分析.該阻尼器既能保證SMA絲的始終受拉和自復(fù)位，又能放大SMA絲的變形，增強(qiáng)在結(jié)構(gòu)小位移時(shí)的耗能效果發(fā)揮.

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Super elastic shape memory alloy wire mechanics performance test and the new damper design

BIN Shuai，SUN Hong-xin，WANG Xiu-yong，YU Jian-da，YANG Guo-song
（Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411100，China）

Through super elastic shape memory alloy wire mechanical property test，considering different wire diameters，cycle times，loading rate，strain amplitude，the degree of pretension and temperature effect on mechanical performance parameters of SMA，to research the main factors influencing the performances of SMA and the change regularity.Test results show that，SMA can have stable dissipative damping performance after a certain number of cyclic tensile training.It is an ideal material to make damper and apply to the control of structure vibration.Considering the effects of strain amplitude on energy dissipation，a kind of displacement rotary large SMA damper was designed.It can enlarge the deformation of the SMA wire and enhance its energy dissipation in small displacement.

shape memory alloy；super elastic；mechanical property；influential factor；SMA damper

P 315

A

【責(zé)任編輯：陳 鋼】

1671-4229（2015）05-0061-06

2015－07－10；

2015－08－17

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015CB057702）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51508185）；湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（S140015）

賓 帥（1991-），男，碩士.E-mail：shuai0809＠yeah.net

*通信作者.E-mail：cehxsun＠126.com