CN105201099A - 一种sma压电摩擦智能混合阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种SMA压电摩擦智能混合阻尼器，属于土木工程结构耗能减震领域，包括阻尼器箱体，阻尼器箱体中有带压电陶瓷驱动器的压电陶瓷驱动器箱体，压电陶瓷驱动器箱体的左侧设置左挡板，右侧设置右挡板，压电陶瓷驱动器箱体的右侧壁与阻尼器箱体的侧壁之间以及左挡板和右挡板之间设有多根SMA丝，作动杆依次穿过阻尼器箱体的左侧壁、左挡板和压电陶瓷驱动器箱体的左侧壁后与压电陶瓷驱动器箱体中的套筒的左端固定，连接杆的左端从套筒的右端插入，连接杆的右端固定在右挡板上，本发明加工方便，耗能能力强，有自复位能力，并能够将半主动控制和被动控制结合起来更有效应用于耗能减震领域。

Description

一种SMA压电摩擦智能混合阻尼器
技术领域
本发明属于土木工程结构减震技术领域，特别涉及一种SMA压电摩擦智能混合阻尼器。
背景技术
地震一直以来是与洪水、飓风、瘟疫一起被认为是人类面临的四大天敌。房屋倒塌，山崩地裂给人民生命财产造成了严重的危害。如1976年死亡人数达24万的中国唐山大地震、2005年发生的印度尼西亚苏门答腊岛北部发生的里氏8.6级地震、2008年中国发生的里氏8.0级的汶川大地震。所以如何有效减小地震对结构的影响是土木工程结构振动控制领域的重大难题之一。
形状记忆合金(SMA)是一种应用较为广泛的智能材料，在高于奥氏体相变结束温度时加卸载，它可以提供饱满的滞回曲线并且卸载后没有残余变形，说明材料在此过程中可以吸收和耗散大量的能量。SMA的相变伪弹性性能常常用于土木工程结构的被动耗能抗震控制中。
耗能减震技术通过在结构中设置不同种类的耗能装置，从而减少结构的地震损伤。耗能减震技术具有广泛的应用范围，对于新建工程和已有的结构的抗震加固都适用，并且在实际工程应用中取得明显效果。但是现有的摩擦耗能减震器都是被动耗能装置，减震效果和使用范围都大大收到了限制，不能随地震大小来进行实时控制。
压电陶瓷能够完成电能与机械能转换，是一种功能材料，具有瞬间电致变形的特性，需要很大的应力才能限制其小的变形，因此也可以作为一种很好的驱动器在结构减震领域使用。
由压电陶瓷制成的半主动控制装置的控制效果虽然较好，但控制系统复杂、价格高昂；由SMA丝制成的被动控制阻尼器虽安装简单，造价低廉，但由于不能实时调整控制力，其控制效果较差。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种SMA压电摩擦智能混合阻尼器，以SMA丝作为被动控制减震系统，当振动达到一定程度时，再辅以半主动控制手段，以形成混合控制系统，从而降低成本和提高减震效果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种SMA压电摩擦智能混合阻尼器，包括阻尼器箱体8，阻尼器箱体8中有带压电陶瓷驱动器4的压电陶瓷驱动器箱体6，压电陶瓷驱动器箱体6的左侧设置左挡板3，右侧设置右挡板7，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器箱体6的右侧壁与阻尼器箱体8的右侧壁之间设置有多根SMA丝一11，压电陶瓷驱动器箱体6的左侧壁与阻尼器箱体8的左侧壁之间设置有多根SMA丝二20，所述SMA丝一11穿过右挡板7后，一端固定在压电陶瓷驱动器箱体6的右侧壁上，另一端固定在阻尼器箱体8的右侧壁上，所述SMA丝二20穿过左挡板3后，一端固定在压电陶瓷驱动器箱体6的左侧壁上，另一端固定在阻尼器箱体8的左侧壁上，在左挡板3和右挡板7之间设有多根SMA丝三10，SMA丝三10的一端固定在左挡板3上，另一端固定在右挡板7上；作动杆1依次穿过阻尼器箱体8的左侧壁、左挡板3和压电陶瓷驱动器箱体6的左侧壁后与压电陶瓷驱动器箱体6中的套筒5的左端固定，连接杆9的左端从套筒5的右端插入，连接杆9的右端固定在右挡板7上。
在所述SMA丝一11、SMA丝二20和SMA丝三10的一端均设置有SMA丝调节阀，对相应的SMA丝施加3％的预应变。
所述作动杆1与左挡板3的连接处固定有格挡环2。
所述阻尼器箱体8的右侧壁上设置有一个与连接杆9相对应的圆孔19。可以使用螺栓或杆件固定在结构中。当地震发生时，随着阻尼器在结构中布置位置的不同，阻尼器会受到沿作动杆1轴线方向的拉力或压力，设置于左右挡板之间的SMA丝三10总是受拉状态，而设置于压电陶瓷驱动器箱体6与阻尼器箱体8左右侧壁之间的SMA丝一11、SMA丝二20总有部分是受拉状态。
所述阻尼器箱体8中位于其左侧壁和左挡板3之间设置有横向滑槽一12，以供左挡板3槽中沿左右方向滑动；所述阻尼器箱体8中位于其右侧壁和右挡板7之间设置有横向滑槽二13，以供右挡板7在槽中沿左右方向滑动。当地震发生时，作动杆1会沿轴线方向受拉或受压，进而带动左挡板3或右挡板7在横向滑槽内滑动。滑槽距离是一定的，当作动杆1受拉或受压带动左右挡板滑动到滑槽一端会被滑槽内壁卡住而不能滑动。
本发明中，当地震发生时，各SMA丝利用自身的相变伪弹性性能可以起到消耗地震能量的功能来进行被动耗能控制，同时SMA丝也能产生很高的回复应力和回复应变起到自复位功能。
本发明中，压电陶瓷驱动器4的数量可以随地震力的大小有所增加。
通过调节压电陶瓷驱动器4的电压使其伸缩产生垂直于阻尼器顶盖的压力，进而使压电陶瓷驱动器箱体6上部的摩擦板与阻尼器顶盖产生摩擦力。摩擦力会随电压的变化而变化，起到可控制效果。
当断电时，压电陶瓷驱动器4不能正常工作，所布置的SMA丝也可以起到被动耗能效果来减少地震对结构的破坏。
本发明结合了两种智能材料的重要特性并加以利用，做成了SMA压电摩擦智能混合阻尼器。输入能量小输出能量大，结合半主动控制理论，在小震和大震情况下都能自主调节控制力，能够在结构减震控制方面取得很好的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.不同于单一智能材料的使用，结合SMA和压电陶瓷两种智能材料的特性做成阻尼器，能够很好的应用于结构减震控制领域。
2.断电时也可以利用SMA丝的相变伪弹性性能进行被动耗能。
3.地震发生时，布置在结构中的阻尼器，会受到沿作动杆轴线方向的拉力或压力，而设置于左右挡板之间的SMA丝以及阻尼器箱体与压电陶瓷驱动器箱体之间的SMA丝总是成受拉状态，起复位和耗能效果。
附图说明
图1为本发明SMA压电摩擦智能混合阻尼器的总剖面图。
图2为本发明SMA压电摩擦智能混合阻尼器的正视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1和图2所示，一种SMA压电摩擦智能混合阻尼器，包括阻尼器箱体8，阻尼器箱体8中有带压电陶瓷驱动器4的压电陶瓷驱动器箱体6，压电陶瓷驱动器箱体6的左侧设置左挡板3，右侧设置右挡板7，其特征在于，压电陶瓷驱动器箱体6的右侧壁与阻尼器箱体8的右侧壁之间设置有多根SMA丝一11，压电陶瓷驱动器箱体6的左侧壁与阻尼器箱体8的左侧壁之间设置有多根SMA丝二20，SMA丝一11穿过右挡板7后，一端固定在压电陶瓷驱动器箱体6的右侧壁上，另一端利用SMA丝调节阀固定在阻尼器箱体8的右侧壁上，SMA丝二20穿过左挡板3后，一端固定在压电陶瓷驱动器箱体6的左侧壁上，另一端利用SMA丝调节阀固定在阻尼器箱体8的左侧壁上，在左挡板3和右挡板7之间设有多根SMA丝三10，SMA丝三10的一端固定在左挡板3上，另一端利用SMA丝调节阀固定在右挡板7上；各SMA丝调节阀可以对相应的SMA丝施加3％的预应变。
作动杆1依次穿过阻尼器箱体8的左侧壁、左挡板3和压电陶瓷驱动器箱体6的左侧壁后与压电陶瓷驱动器箱体6中的套筒5的左端固定，作动杆1与左挡板3的连接处固定有格挡环2。连接杆9的左端从套筒5的右端插入，并不固定，连接杆9的右端固定在右挡板7上。
阻尼器箱体8的右侧壁上设置有一个与连接杆9相对应的圆孔19。可以使用螺栓或杆件固定在结构中。
阻尼器箱体8中位于其左侧壁和左挡板3之间设置有横向滑槽一12，以供左挡板3槽中沿左右方向滑动；阻尼器箱体8中位于其右侧壁和右挡板7之间设置有横向滑槽二13，以供右挡板7在槽中沿左右方向滑动。
当地震发生时，作动杆1发生沿杆轴线方向振动，通过调节压电陶瓷驱动器4的电压使其伸缩产生垂直于压电堆的压力，进而使压电陶瓷驱动器箱体6下部的摩擦板17与阻尼器顶盖14产生摩擦力。摩擦力会随电压的变化而变化，起到可控制效果。
当作动杆1受到沿轴线方向向右的压力时，此时，左挡板3被左滑槽12的右端卡住静止不动，作动杆1顶住套筒5内的连接杆9向右侧移动，这时固定于连接杆9的右挡板7开始滑动。设置于左挡板3和右挡板7之间的SMA丝三10成受拉状态，主要起耗能作用。当格挡环2运动至压电陶瓷驱动器箱体6的左壁时，压电陶瓷驱动器箱体6开始向右运动，设置于压电陶瓷驱动器箱体6和阻尼器箱体8左侧壁之间的SMA丝二20成受拉状态，主要起复位作用。
当作动杆1受到沿轴线方向向左的拉力时，此时，右挡板7被右滑槽13的左端卡住静止不动，左挡板3在格挡环2的作用下向左侧移动，SMA丝三10成受拉状态，主要起耗能作用。当作动杆1受到更大的拉力时，左挡板3继续向左滑动，作动杆1此时和连接杆9在套筒5内处于分离状态，当套筒5的左端运动至压电陶瓷驱动器箱体6的左壁时，压电陶瓷驱动器箱体6开始向左运动，SMA丝一11成受拉状态，主要起复位作用。
当断电时，压电陶瓷驱动器4不能正常工作，装置内的SMA丝一11、SMA丝二20和SMA丝三10也可以起到被动耗能效果来减少地震对结构的影响。

Claims (5)

1.一种SMA压电摩擦智能混合阻尼器，包括阻尼器箱体(8)，阻尼器箱体(8)中有带压电陶瓷驱动器(4)的压电陶瓷驱动器箱体(6)，压电陶瓷驱动器箱体(6)的左侧设置左挡板(3)，右侧设置右挡板(7)，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器箱体(6)的右侧壁与阻尼器箱体(8)的右侧壁之间设置有多根SMA丝一(11)，压电陶瓷驱动器箱体(6)的左侧壁与阻尼器箱体(8)的左侧壁之间设置有多根SMA丝二(20)，所述SMA丝一(11)穿过右挡板(7)后，一端固定在压电陶瓷驱动器箱体(6)的右侧壁上，另一端固定在阻尼器箱体(8)的右侧壁上，所述SMA丝二(20)穿过左挡板(3)后，一端固定在压电陶瓷驱动器箱体(6)的左侧壁上，另一端固定在阻尼器箱体(8)的左侧壁上，在左挡板(3)和右挡板(7)之间设有多根SMA丝三(10)，SMA丝三(10)的一端固定在左挡板(3)上，另一端固定在右挡板(7)上；作动杆(1)依次穿过阻尼器箱体(8)的左侧壁、左挡板(3)和压电陶瓷驱动器箱体(6)的左侧壁后与压电陶瓷驱动器箱体(6)中的套筒(5)的左端固定，连接杆(9)的左端从套筒(5)的右端插入，连接杆(9)的右端固定在右挡板(7)上。
2.根据权利要求1所述SMA压电摩擦智能混合阻尼器，其特征在于，在所述SMA丝一(11)、SMA丝二(20)和SMA丝三(10)的一端均设置有SMA丝调节阀，对相应的SMA丝施加3％的预应变。
3.根据权利要求1所述SMA压电摩擦智能混合阻尼器，其特征在于，所述阻尼器箱体(8)的右侧壁上设置有一个与连接杆(9)相对应的圆孔(19)。
4.根据权利要求1所述SMA压电摩擦智能混合阻尼器，其特征在于，所述阻尼器箱体(8)中位于其左侧壁和左挡板(3)之间设置有横向滑槽一(12)，以供左挡板(3)槽中沿左右方向滑动；所述阻尼器箱体(8)中位于其右侧壁和右挡板(7)之间设置有横向滑槽二(13)，以供右挡板(7)在槽中沿左右方向滑动。
5.根据权利要求1所述SMA压电摩擦智能混合阻尼器，其特征在于，所述作动杆(1)与左挡板(3)的连接处固定有格挡环(2)。
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