CN105672515A - 具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器，包括连接法兰，连接螺母，缸筒，中间导向螺母，控制单元，外滑块，封闭导向螺母，核心导杆，所述连接法兰设置在所述阻尼器的两端，一端的所述连接法兰与所述连接螺母连接，另一端的所述连接法兰与所述核心导杆连接，所述连接螺母安装在所述缸筒空腔一侧端部，所述核心导杆设在所述缸筒内部，所述核心导杆外侧包裹有所述外滑块，所述外滑块的外侧设有若干个所述控制单元，所述外滑块的两端分别设有所述中间导向螺母和所述封闭导向螺母。本发明具有阻尼能力强、可恢复变形大、性能较稳定、多种工作状态自由切换等优点。

Description

具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器

技术领域

本发明是一种用于土木工程结构振动控制领域的智能控制装置，用于高层建筑、大跨建筑、桥梁结构及其他土木工程结构在动力灾害作用下的安全性和舒适度控制，属于土木工程结构耗能减振控制的技术领域，具体涉及一种具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器。

背景技术

结构减振控制通过在结构中合理设置减振耗能装置，来有效地控制结构的振动响应，使结构在地震、大风或其他动力干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内。它对于提高土木工程结构的抗震、抗风能力，减小结构振动响应，减少灾害损失，满足结构安全和使用功能要求，具有重要的意义。摩擦阻尼器作为较早被研究和应用的减振技术之一，具有构造简单、安装方便、耗能能力好等许多优点，因此成为工程中常用的一种耗能减振装置。已经有了普通摩擦阻尼器、Pall摩擦阻尼器、Sumitomo摩擦阻尼器、滑移型长孔螺栓节点阻尼器、压电智能摩擦阻尼器等多种形式，但这些摩擦阻尼器通常并不具备自复位的功能，当结构进入塑性变形后，阻尼器难以使结构回复到原有几何状态，较大的残余变形将限制结构灾后修复的能力。

近年来，智能材料和结构的发展成为结构减振控制的一个重要方向，人们利用电/磁流变液体、形状记忆合金材料、压电材料和电/磁致伸缩材料等智能驱动材料研制各类被动、主动和半主动的阻尼减振装置。磁致形状记忆合金(MagneticShapeMemoryAlloy，简写为MSMA)不仅具有马氏体相变引起的形状记忆效应和超弹性，而且具有马氏体变体重定向引起的磁致形状记忆效应和超弹性。它兼具压电陶瓷和磁致伸缩材料响应频率快和温控形状记忆合金输出应变和应力大的特点，且兼具传感和驱动功能，在科学研究和工程应用中具有广阔的前景，是智能材料研究的热门之一。在机械、传感等领域已经有了较多的装置研发，如磁控形状记忆合金自传感执行器(CN101620412A)、差动式磁控形状记忆合金执行器(CN1633021A)、磁控形状记忆合金蠕动型直线电机(CN1474504A)、一种高频驱动装置(CN202798522U)等装置。近年来，在结构振动控制领域亦有了一些装置的研究，如磁控形状记忆合金伸缩作动器(CN102359198A)、基于磁控形状记忆合金的建筑物防震系统及其感应控制方法(CN103382743A)等。然而，由于目前磁控形状记忆合金材料加工性能和成本的限制，适用于土木工程结构的较大吨位的磁控形状记忆合金阻尼器几乎没有。

因此，结合摩擦阻尼器和磁致形状记忆合金的特点，研究一种具有大变形自复位能力的智能摩擦阻尼器具有一定的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器，利用磁性形状记忆合金动态改变摩擦阻尼特性，并使其具备自复位特点的智能摩擦阻尼器，用于土木工程结构在动力灾害作用下的耗能减振。本发明利用磁致形状记忆合金改变阻尼器摩擦特性，利用楔形滑动面和磁致形状记忆合金结合实现自复位功能，相较于一般压电智能摩擦阻尼器由于磁致形状记忆合金较大的可恢复变形，使得阻尼器具有更大的摩擦阻尼调节能力和可恢复变形，同时，在不同的位移状态下，又具有变刚度的特性。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器，包括连接法兰，连接螺母，缸筒，中间导向螺母，控制单元，外滑块，封闭导向螺母，核心导杆，所述连接法兰设置在所述阻尼器的两端，一端的所述连接法兰与所述连接螺母连接，另一端的所述连接法兰与所述核心导杆连接，所述连接螺母安装在所述缸筒空腔一侧端部，所述核心导杆设在所述缸筒内部，所述核心导杆外侧包裹有所述外滑块，所述外滑块的外侧设有若干个所述控制单元，所述外滑块的两端分别设有所述中间导向螺母和所述封闭导向螺母。

进一步的，所述控制单元由弹簧、导磁垫板、线圈、永磁体和磁致形状记忆合金块组成，所述磁致形状记忆合金块通过所述垫板与所述弹簧连接，所述磁致形状记忆合金块外侧包裹线圈，所述线圈外侧为所述永磁体。

优选的，所述核心导杆由核心杆和核心内滑块组成，所述核心内滑块与所述外滑块的接触面是粗糙面，并根据需要设置摩擦材料，利用接触面之间的摩擦耗散振动能量。

进一步的，所述控制单元控制外滑块的径向运动；所述中间导向螺母和所述封闭导向螺母限制所述外滑块的轴向运动，并保证所述核心导杆的轴向运动。

进一步的，所述磁致形状记忆合金块可以采用Ni₂MnGa、Ni₂FeGa等磁致形状记忆合金或复合材料。

本发明的有益效果:

本发明作为一种耗能减振装置，能够有效控制土木工程结构在动力荷载作用下的响应，保护主体结构；该装置综合利用了核心内滑块与外滑块之间的摩擦、磁致形状记忆合金超弹性和磁致形状记忆效应所产生的阻尼来耗散能量，不通电时表现为自复位约束摩擦阻尼器，通电后表现为自复位变阻尼的半主动摩擦阻尼器，同时还对土木工程结构产生一定的输出力和提供变刚度的作用。该阻尼器充分考虑了目前磁致形状记忆合金较脆、加工性能较差、仅能制作小体积块体和薄膜等小尺寸构件等加工特点；具有阻尼能力强、可恢复变形大、性能较稳定、具有多种工作状态等优点。

附图说明

图1为本发明具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器的外观示意图；

图2（a）为本发明具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器的1-1剖面结构示意图；

图2（b）为本发明具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器的2-2剖面结构示意图；

图3为本发明具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器的3-3剖面结构示意图；

图4为本发明具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器的4-4剖面结构示意图；

图5为本发明具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器的控制单元结构示意详图。

图中标号说明：1、连接法兰，2、连接螺母，3、缸筒，4、中间导向螺母，5、控制单元，51、弹簧，52、导磁垫板，53、线圈，54、永磁体，55、磁致形状记忆合金块，6、外滑块，7、封闭导向螺母，8、核心导杆，81、核心杆,82、核心内滑块。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1-图5所示，具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器，包括连接法兰1，连接螺母2，缸筒3，中间导向螺母4，控制单元5，外滑块6，封闭导向螺母7，核心导杆8，所述连接法兰1设置在所述阻尼器的两端，一端的所述连接法兰1与所述连接螺母2连接，另一端的所述连接法兰1与所述核心导杆8连接，所述连接螺母2安装在所述缸筒3空腔一侧端部，所述核心导杆8设在所述缸筒3内部，所述核心导杆8外侧包裹有所述外滑块6，所述外滑块6的外侧设有若干个所述控制单元5，所述外滑块6的两端分别设有所述中间导向螺母4和所述封闭导向螺母7。

进一步的，所述控制单元5由弹簧51、导磁垫板52、线圈53、永磁体54和磁致形状记忆合金块55组成，所述磁致形状记忆合金块55通过所述垫板52与所述弹簧51连接，所述磁致形状记忆合金块55外侧包裹线圈53，所述线圈53外侧为所述永磁体54。

优选的，所述核心导杆8由核心杆81和核心内滑块82组成，所述核心内滑块82与所述外滑块6的接触面是粗糙面，并根据需要设置摩擦材料，利用接触面之间的摩擦耗散振动能量，所述核心内滑块82的外侧与所述外滑块6的内侧沿轴线方向均为波浪状，且所述核心内滑块82与所述外滑块6由波浪状的接触面相互啮合，核心内滑块82、外滑块6的波浪状凹、凸接触面是粗糙的接触面，它们的凹、凸接触面可设置摩擦材料。

进一步的，所述控制单元5控制外滑块6的径向运动；所述中间导向螺母4和所述封闭导向螺母7限制所述外滑块6的轴向运动，并保证所述核心导杆8的轴向运动。

进一步的，所述磁致形状记忆合金块55可以采用Ni₂MnGa、Ni₂FeGa等磁致形状记忆合金或复合材料，通过所述磁致形状记忆合金块55的超弹性效应和磁致形状记忆效应产生自复位和变阻尼半主动控制的功能。

本发明的原理：

当阻尼器两端的连接法兰1与结构共同工作时发生相对运动，从而推拉核心导杆8，使核心内滑块82沿轴向相对运动，挤压外滑块6沿径向产生相对位移，但由于控制单元对有外滑块6产生径向约束作用，而使核心内滑块82与外滑块6的接触面上产生相互作用力，阻尼器的输出力就是由这个作用力的轴向分力和接触面上相应的摩擦力组成的。

不通电时，在小位移的情况下，磁致形状记忆合金55没有发生马氏体重定向，阻尼器主要依靠滑块之间的摩擦来吸收能量；在大位移的情况下，磁致形状记忆合金55发生了马氏体重定向而产生内耗，使之具有超弹性阻尼耗能作用，此时阻尼器利用金属的阻尼和接触面的摩擦来共同耗散振动能量；振动结束后，由于磁致形状记忆合金55的超弹性效应，能够恢复初始状态，从而使阻尼器复位。

通电时，在线圈53产生的激励磁场和永磁体产生的偏置磁场共同作用下，控制磁致形状记忆合金块55的变形，从而达到控制阻尼器摩擦特性的目的，使其具有半主动阻尼器的特性，同时，由于磁致形状记忆效应，能够在振动结束后使阻尼器复位。

此外，由于磁致形状记忆合金55在不同的马氏体孪晶相下，其弹性模量变化较大，使阻尼器的刚度也发生较大变化，因而，阻尼器是一种变刚度的阻尼器。

本发明的具体实施步骤：

（1）对结构进行分析，计算出所需要的阻尼器设计参数，据此确定阻尼器截面、控制单元5大小与个数、滑块和核心导杆8尺寸等设计参数。

（2）根据设计参数制作磁致形状记忆合金块55，在其外侧制作骨架并包裹线圈53,线圈53外侧安装永磁体54，在永磁体54外侧和底部用包裹非导磁材料外壳,在线圈53和永磁体54顶部安装导磁垫板52，进而在磁致形状记忆合金块55顶部安装垫片和弹簧51，弹簧51的刚度由计算确定，完成控制单元5的制作；可通过对弹簧51和永磁体54的调整调节初始的预压状态，控制非通电状态下的阻尼器力学特性。

（3）根据设计参数加工核心杆81和核心内滑块82，并将两者固定在一起；加工外滑块6，核心内滑块82和外滑块6的接触面相互咬合，并对接触面进行设置摩擦材料等摩擦处理。

（4）将制作的控制单元5按设计位置放入外滑块6预留的凹块内，将核心导杆8和外滑块6拼装在一起，放入缸筒3对应位置；控制单元5与缸筒3固接，且控制单元5的导线通过缸筒5预留槽道引致缸筒5外；而后安装中间导向螺母4和封闭导向螺母7。

（5）最后，安装连接螺母2，并在两侧安装连接法兰1，完成阻尼器的整体组装。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器，其特征在于，包括连接法兰(1)，连接螺母(2)，缸筒(3)，中间导向螺母(4)，控制单元(5)，外滑块(6)，封闭导向螺母(7)，核心导杆(8)，所述连接法兰(1)设置在所述阻尼器的两端，一端的所述连接法兰(1)与所述连接螺母(2)连接，另一端的所述连接法兰(1)与所述核心导杆(8)连接，所述连接螺母(2)安装在所述缸筒(3)空腔一侧端部，所述核心导杆(8)设在所述缸筒（3）内部，所述核心导杆(8)外侧包裹有所述外滑块（6），所述外滑块（6）的外侧设有若干个所述控制单元（5），所述外滑块（6）的两端分别设有所述中间导向螺母(4)和所述封闭导向螺母(7)。

2.根据权利要求1所述的具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器，其特征在于，所述控制单元（5）由弹簧(51)、导磁垫板(52)、线圈(53)、永磁体(54)和磁致形状记忆合金块(55)组成，所述磁致形状记忆合金块(55)通过所述垫板(52)与所述弹簧(51)连接，所述磁致形状记忆合金块(55)外侧包裹线圈(53)，所述线圈(53)外侧为所述永磁体(54)。

3.根据权利要求1所述的具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器，其特征在于，所述核心导杆(8)由核心杆（81）和核心内滑块（82）组成，所述核心内滑块（82）与所述外滑块（6）的接触面是粗糙面，并根据需要设置摩擦材料，利用接触面之间的摩擦耗散振动能量。

4.根据权利要求1所述的具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器，其特征在于，所述控制单元(5)控制外滑块(6)的径向运动；所述中间导向螺母(4)和所述封闭导向螺母(7)限制所述外滑块(6)的轴向运动，并保证所述核心导杆(8)的轴向运动。

5.根据权利要求2所述的具有自复位功能的磁致形状记忆合金约束摩擦阻尼器，其特征在于，所述磁致形状记忆合金块(55)可以采用Ni₂MnGa、Ni₂FeGa等磁致形状记忆合金或复合材料。