CN103671696B - 一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器，包括抗拉活塞（1）、抗拉缸筒（3）、抗扭缸筒（4）和抗扭活塞（2），抗拉活塞中活塞头的左右两侧分别通过抗拉压形态记忆合金丝（5）与抗拉缸筒左右两侧的缸盖相连，抗拉压形态记忆合金丝的两端分别通过夹头I或夹头II与抗拉活塞或抗拉缸筒的缸盖连接；抗拉缸筒通过钢杆与抗扭缸筒连接；抗扭活塞安装在抗扭缸筒内，抗扭活塞的外壁和抗扭缸筒的内壁之间通过四组抗扭形态记忆合金金丝连接；抗扭形态记忆合金金丝的两端分别通过夹头I或夹头II固定。本发明的隔振减振消能稳定性强，对水平拉压和扭转方向的振动波具有良好的隔振减振效果，具有智能自动复位的能力。

Description

一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器

技术领域

本发明涉及一种阻尼器，具体是一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器，属于建筑结构和机械工程技术领域。

背景技术

近年来，随着振动与减振问题的日益突出，振动控制技术已经成为工程领域中一项十分重要的研究内容，在研究和开发的多种工程振动控制与减振技术措施中，消能阻尼器作为一种行之有效的减振隔振装置已被广泛地应用于建筑、机械、航空航天、交通运输、体育器材等领域。

变形能力和阻尼性能作为消能阻尼器的重要参数一直是工程技术领域中的两个难点，主要因素在于：当阻尼器的变形能力小时，难以获取足够大的阻尼；当阻尼器的变形能力大时，能够获取大的阻尼，但其自恢复能力差；而且当阻尼大时，其可靠性和耐久性差，工作时也容易受到环境的制约。比如，粘滞阻尼器对粘滞液体的性能要求很高，而且维护费用和造价较高；粘弹性阻尼器易老化；金属屈服阻尼器产生塑性屈服后变形很难恢复；摩擦型阻尼器在长期应用下的可靠性较差等缺点。因此，粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、普通金属阻尼器、摩擦型阻尼器等传统的阻尼器都难以同时实现可恢复、变形大和阻尼高的性能。

目前，为了冲破传统消能阻尼器在应用中的局限性，解决的方法之一就是寻找新材料，如：2007年7月11日公告的中国专利“混合型形状记忆合金阻尼器”（专利号：ZL200620200532.0，公告号：CN2921137Y），2008年2月27日公告的中国专利“自复位超弹性形状记忆合金阻尼器’（专利号：ZL200720011605.6，公告号：CN201027352Y），2008年4月23日公告的中国专利“多维超弹性形状记忆合金阻尼器”（专利号：ZL200720011607.5，公告号：CN201050121Y），2010年2月24日公开的中国专利“形状记忆合金自复位形变耗能阻尼器”（专利号：ZL200910011327.8，公开号：CN101654935AY），以及2012年6月20日公开的中国专利“多向六圆台筒形状记忆合金阻尼器”（申请号：201110318312.3，公开号：CN102505768A）等阻尼器所采用的新材料都是形状记忆合金，均具有优良的抗拉压消能特性、强度高、比重小、疲劳寿命长、耐腐蚀和环境因素影响小等特点；但是它们存在共同的问题，即设计时没有考虑因扭转方向的振动而降低抗拉压消能的效果，有的虽然考虑了扭转方向的振动，但是其抗扭消能的效果不好。因此，为了提高建筑结构和机械工程的隔振减振效果以及避免消能阻尼器在应用中的局限性，必须研发一种其它结构形式的阻尼器。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器，在具有抗拉压消能特性的同时，具备了抗扭消能特性，避免在振动过程中，抗拉压合金丝因扭转而发生弯曲的不利影响，能够提高拉压合金丝的消能效果；能够达到隔振减振的目的，具备振后结构智能自复位的能力。

为了实现上述目的，本发明一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器，包括抗拉活塞、抗拉缸筒、钢杆、抗扭缸筒和抗扭活塞，所述抗拉活塞安装在抗拉缸筒内，抗拉活塞中活塞头的左右两侧分别通过抗拉压形态记忆合金丝与抗拉缸筒左右两侧的缸盖相连；抗拉压形态记忆合金丝的一端通过夹头I固定在抗拉活塞中活塞头的一侧，另一端通过夹头II与抗拉缸筒一侧的缸盖连接；所述抗拉缸筒通过钢杆与抗扭缸筒连接；所述抗扭活塞安装在抗扭缸筒内，抗扭活塞的外壁和抗扭缸筒的内壁之间通过四组抗扭形态记忆合金金丝连接；四组抗扭形态记忆合金金丝呈四边形结构布置；每组抗扭形态记忆合金金丝的一端通过夹头I固定在抗扭活塞中活塞头上的螺孔处，另一端通过夹头II连接在抗扭缸筒上的螺孔处。

进一步，所述抗拉缸筒的内壁圆周处均匀设有多个水平方向上凸起的滑道，抗拉活塞中活塞头的外壁上开有与滑道相配合的凹槽。

优选地，所述抗扭缸筒与抗扭活塞之间的四组抗扭形态记忆合金金丝的长度相同。

优选地，所述抗扭活塞中活塞头的长度与抗扭缸筒的长度相同。

优选地，所述抗拉压形态记忆合金丝为镍钛合金丝，所述抗扭形态记忆合金金丝为镍钛合金丝。

与现有技术相比，本发明通过将抗拉压形态记忆合金丝和抗扭形态记忆合金丝两者合理的与抗拉活塞、抗拉缸筒、抗扭活塞及抗扭缸筒结合，使得轴向的振动波通过多组抗拉压形态记忆合金丝由阻尼器的一端传到另一端，在抗拉活塞作往复平移运动中，两侧的抗拉压形态记忆合金丝交替进行拉伸与回缩变化，提供了较大的滞回耗能以及回复力；同时，其它方向振动波所带来的扭矩载荷将通过抗扭形态记忆合金丝由阻尼器的一端传到另一端，在抗扭活塞作往复定轴转动中，四组抗扭形态记忆合金丝两两交替进行拉伸与回缩变化，由于形态记忆合金丝的超弹性变形消耗振动波的能量以及产生的回复力，不但达到了抗扭隔振减振的目的，而且获得了振后结构智能自复位的能力；最终避免了抗拉压形态记忆合金丝在振动过程中，因扭转而发生弯曲的不利影响，大大提高了抗拉压形态记忆合金丝的消能效果，进而显著地提高了阻尼器隔振减振的消能稳定性，特别是对活塞水平拉压和扭转方向的振动波具有良好的隔振减振效果；同时在水平方向和扭转方向上具有智能自动复位的能力。此外，在兼有良好的抗拉压和抗扭的隔振减振效果的同时，本发明还可以单独作为抗拉压阻尼器或抗扭阻尼器使用，两者的隔振减振能力互不影响和制约。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为抗拉活塞的结构示意图；

图3为抗扭活塞的结构示意图；

图4为抗拉缸筒和抗扭缸筒的连接示意图；

图5为图1的右视图；

图6为图5中A-A处的剖视图；

图7为图5中B-B处的剖视图；

图8为图5中C-C处的剖视图；

图9为本发明在万能试验机平台上进行单向拉伸试验的试验数据图；

图10为本发明在万能试验机平台上进行单向扭转试验的试验数据图；

图11为本发明在万能试验机平台上进行拉扭组合试验的试验数据图；

图12为镍钛合金丝拉伸试验的应变量和回复力之间的曲线图；

图13为普通阻尼器安装在某一结构的抗振支撑处对一多向振动波响应情况的示意图；

图14为本发明安装在某一结构的抗振支撑处对一多向振动波响应情况的示意图。

图中：1、抗拉活塞，2、抗扭活塞，3、抗拉缸筒，4、抗扭缸筒，5、抗拉压形态记忆合金金丝，6、抗扭形态记忆合金丝，7、夹头II，8、夹头I，9、钢杆，10、滑道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图8所示，本自复位抗拉扭形态记忆合金合金阻尼器，包括抗拉活塞1、抗拉缸筒3、钢杆9、抗扭缸筒4和抗扭活塞2，所述抗拉活塞1安装在抗拉缸筒3内，抗拉活塞1中活塞头的左右两侧分别通过抗拉压形态记忆合金丝5与抗拉缸筒3左右两侧的缸盖相连；抗拉压形态记忆合金丝5的一端通过夹头I8固定在抗拉活塞1中活塞头的一侧，另一端通过夹头II7与抗拉缸筒3一侧的缸盖连接；所述抗拉缸筒3通过钢杆9与抗扭缸筒4连接；所述抗扭活塞2安装在抗扭缸筒4内，抗扭活塞2的外壁和抗扭缸筒4的内壁之间通过四组抗扭形态记忆合金金丝6连接；四组抗扭形态记忆合金金丝6呈四边形结构布置，每组抗扭形态记忆合金金丝6的一端通过夹头I8固定在抗扭活塞2中活塞头上的螺孔处，另一端通过夹头II7连接在抗扭缸筒4上的螺孔处。

使用时，其轴向振动波通过多组抗拉压形态记忆合金丝5由阻尼器的一端传到另一端，在抗拉活塞1作往复平移运动中，两侧的抗拉压形态记忆合金丝5交替进行拉伸与回缩变化，提供了较大的滞回耗能以及回复力；同时，其它方向振动波所带来的扭矩载荷将通过抗扭形态记忆合金金丝6由阻尼器的一端传到另一端，在抗扭活塞2作往复定轴转动中，四组抗扭形态记忆合金金丝6两两交替进行拉伸与回缩变化，由于形态记忆合金丝的超弹性变形消耗振动波的能量以及产生的回复力，不但达到了抗扭隔振减振的目的，而且获得了振后结构智能自复位的能力。此外，可将钢杆9从抗拉缸筒3和抗扭缸筒4上拆下，将两侧的部分分别单独作为抗拉压阻尼器或抗扭阻尼器使用，使用范围更广泛，两者的隔振减振能力也互不影响和制约。

进一步，可在所述抗拉缸筒3内壁圆周处均匀设有多个水平方向上凸起的滑道10，抗拉活塞1中活塞头的外壁上开有与滑道10相配合的凹槽；滑道10和凹槽的设置能够将抗拉活塞1限制在抗拉缸筒3内作定轴转动，使抗拉活塞1只能在抗拉缸筒3内沿着滑道方向作往复平移运动，避免出现因其扭转等因素引发弯曲变形的不利影响。

优选地，所述抗扭缸筒4与抗扭活塞2之间的四组抗扭形态记忆合金金丝6的长度相同；此时，当抗扭活塞2作往复定轴转动时，因四组抗扭形态记忆合金金丝6两两发生的拉伸和回缩变化相同，故其交替进行拉伸与回缩变化更稳定，抗扭隔振减振效果和振后结构智能自复位的能力更佳。

优选地，所述抗扭活塞2中活塞头的长度与抗扭缸筒4的长度相同，能够限制抗扭活塞2在抗扭缸筒4内不会作平移运动，使抗扭活塞2只能在抗扭缸筒4内作往复定轴转动，避免出现因发生平移而带来的形变等因素影响抗扭效果的情况，整体的抗扭效果更佳。

优选地，上述抗拉压形态记忆合金丝5和抗扭形态记忆合金金丝6可以采用镍钛合金丝，下面将采用用镍钛合金丝、按照上述结构制作的自复位抗拉扭镍钛合金阻尼器进行试验和测试：

实施例1：

将该自复位抗拉扭镍钛合金阻尼器安装在万能试验机上，进行三类简单的加载和卸载试验：1.单向拉伸试验，试验数据如图9所示；2.单向扭转试验，试验数据如图10所示；3.拉扭组合试验，试验数据如图11所示。如图9至图11所示，可以看出本发明阻尼器在加载和卸载的情况下，外载荷与位移之间的关系曲线；由于加载和卸载循环载荷的影响，导致了阻尼器的外力-位移曲线明显地呈现出一典型的滞后闭合曲线(迟滞环)，然而该曲线在加载/卸载过程并没有展现出明显的(应)力平台，其原因是阻尼器中的合金丝仅仅有很少的一部分发生了马氏体相变转变，而大部分材料仍处于弹性变形的状态。尽管如此，合金丝也明显地表现出了良好的消能特性，具有优良的耗能迟滞环和高恢复(或回复)能力，并且迟滞环随外载荷的增加而增大。如图12所示，镍钛合金丝的拉伸试验的应变量和回复力之间的曲线，合金丝经过适量拉伸后回复力可以达到600Mpa以上，当合金丝的应变量达到10﹪左右时，合金丝可产生约700Mpa回复力，由此可见此类阻尼器的自复位能力很强。

实施例2：

将该自复位抗拉扭镍钛合金阻尼器，安装在某一结构的抗振支撑处进行测试，可发现其隔振减振效果很好。如图13所示，是一个普通阻尼器安装在某一结构的抗振支撑处对一多向振动波响应的情况，从所得数据看出普通阻尼器的隔振减振效果较差，原因是扭转振动波影响了拉压镍钛合金丝的消能能力；如图14所示，是本发明阻尼器在同一支撑处对同一多向振动波响应的隔振减振情况，可以看到此阻尼器的消能效果很好，且隔振减振的耐久性和稳定性较高，由于抗拉压和抗扭镍钛合金丝的超弹性作用，在很大的变形范围内合金丝的变形将在阻尼器振动回复到平衡位置时恢复，此过程同时耗散了工程构件在使用过程中引起的机械能，减震效果良好。

经过对比实验图13和14可得出，在多向振动波作用下，安装普通阻尼器支撑处的最大应力响应极值达到470MPa，而对于安装本发明阻尼器支撑处的最大应力响应极值仅为102MPa，约是前者的五分之一，同时比较两者的响应曲线可以看到，普通阻尼器支撑处的应力响应曲线波动变化频繁，相邻时刻间应力变化较大，而安装本发明阻尼器支撑处的应力响应曲线波动变化很少，即相邻时刻间应力变化较小，延缓并降低了振动波的危害，这进一步表明，利用镍钛材料的超弹性效应和高阻尼特性以及结构的设计特点，可以较大程度地抑制结构在多向振动波下的响应。综上所述，采用新材料镍钛合金进行结构重新设计，可以使阻尼器的性能得到很大的改善和提高。

Claims (5)

1.一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器，其特征在于，包括抗拉活塞（1）、抗拉缸筒（3）、钢杆（9）、抗扭缸筒（4）和抗扭活塞（2），

所述抗拉活塞（1）安装在抗拉缸筒（3）内，抗拉活塞（1）中活塞头的左右两侧分别通过抗拉压形态记忆合金丝（5）与抗拉缸筒（3）左右两侧的缸盖相连；抗拉压形态记忆合金丝（5）的一端通过夹头I（8）固定在抗拉活塞（1）中活塞头的一侧，另一端通过夹头II（7）与抗拉缸筒（3）一侧的缸盖连接；

所述抗拉缸筒（3）通过钢杆（9）与抗扭缸筒（4）连接；

所述抗扭活塞（2）安装在抗扭缸筒（4）内，抗扭活塞（2）和抗扭缸筒（4）之间通过四组抗扭形态记忆合金丝（6）连接；四组抗扭形态记忆合金丝（6）呈四边形结构布置；每组抗扭形态记忆合金丝（6）的一端通过夹头I（8）固定在抗扭活塞（2）中活塞头上的螺孔处，另一端通过夹头II（7）连接在抗扭缸筒（4）内壁上的螺孔处。

2.根据权利要求1所述的一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器，其特征在于，所述抗拉缸筒（3）的内壁圆周处均匀设有多个水平方向上凸起的滑道（10），抗拉活塞（1）中活塞头的外壁上开有与滑道（10）相配合的凹槽。

3.根据权利要求1或2所述的一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器，其特征在于，所述抗扭缸筒（4）与抗扭活塞（2）之间的四组抗扭形态记忆合金丝（6）的长度相同。

4.根据权利要求1或2所述的一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器，其特征在于，所述抗扭活塞（2）中活塞头的长度与抗扭缸筒（4）的长度相同。

5.根据权利要求1或2所述的一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器，其特征在于，所述抗拉压形态记忆合金丝（5）为镍钛合金丝，所述抗扭形态记忆合金丝（6）为镍钛合金丝。