CN105735507A - 一种拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器，该阻尼器主要由连接法兰、芯杆、导向螺母、缸筒、磁性形状记忆单元、导向活塞、弹簧和封闭螺母组成，在缸筒内部设有芯杆，沿芯杆周边布置多个磁性形状记忆单元，磁性形状记忆单元两端分别与导向螺母和导向活塞相连，在导向活塞和封闭螺母之间安装弹簧，阻尼器两端的设置连接法兰与主体结构连接。本发明存在被动、半主动和主动控制多种工作状态，智能化程度较高，具有响应频率高、阻尼能力强、自动复位、性能较稳定等优点。

Description

一种拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器
技术领域
本发明土木工程结构耗能减振控制的技术领域，具体涉及一种用于土木工程结构振动控制领域的智能控制装置，用于在动力灾害作用下的安全性和舒适度控制。
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，满足结构安全和使用功能要求，具有重要的意义。近年来，结构智能控制由于较高的控制效率，受到广泛的关注。结构智能控制包括采用智能控制算法和采用智能驱动或智能阻尼装置的两类智能控制。后一类主要是指采用诸如电/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和器件为标志的结构智能控制。已开发的一些装置包括大出力磁流变阻尼器（CN101215860A）、一种集成馈能的磁流变阻尼器（CN204985491U）、多层筒式压电摩擦阻尼器（CN2014126074U）、形状记忆合金摩擦大行程自复位阻尼器（CN204435591U）、压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器（CN104165204A）等，其中，较为常用的智能阻尼器是磁流变阻尼器和压电变摩擦阻尼器，这两类阻尼器通常仅能实现被动控制与半主动控制两种状态的切换，无法成为主动控制所需的控制作动器，直接输出阻尼力。
磁性形状记忆合金(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、温控形状记忆合金输出应变和应力大的特点，是智能材料研究的热门之一。它在机械、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原理上的研发，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，由于材料的脆性和目前加工技术的限制，磁性形状记忆合金材料多为较小的块体，难以加工成丝材、棒材等尺度较大的构件形式，适用于土木工程结构的较大吨位的磁性形状记忆合金阻尼器较为少见。
因此，充分利用磁性形状记忆合金自身高响应频率、大输出位移和自动复位等优点，通过适当的构造设计以避免其在加工性能上的缺陷，开发一种适应于土木工程结构的大吨位、兼具被动、半主动和主动控制装置特性的智能阻尼器具有一定的实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种充分利用磁性形状记忆合金热磁力学性能、具有一定输出吨位和多种工作状态、适用于土木工程结构的智能阻尼器，用于土木工程结构在动力灾害作用下的耗能减振。该阻尼器在不通电、少量能源和足量能源时，分别能够实现被动、半主动和主动控制的功能，为真正的智能化控制提供硬件基础，同时，由于磁性形状记忆合金特殊的超弹性和形状记忆效应，能够实现振后自动复位。
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：
一种拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器，包括缸筒，所述缸筒的一端开口处设有导向螺母，另一端开口处设有封闭螺母，在缸筒内部设有芯杆，所述芯杆的一端活动地穿过导向螺母并露出于缸筒一部分，芯杆露出于缸筒的部分与第一连接法兰相连接，所述芯杆的另一端与缸筒内的一导向活塞相连接，在沿芯杆周边布置多个磁性形状记忆单元，所述磁性形状记忆单元两端分别与导向螺母和导向活塞相连，所述导向活塞和封闭螺母之间设有弹簧。
进一步的，所述磁性形状记忆单元由两个端部支架、多个磁性形状记忆合金块和多个中间支架组成,所述的两个端部支架分别与导向螺母和导向活塞固接，所述中间支架设置于两个端部支架之间，所述磁性形状记忆合金块固接于中间支架之间以及中间支架与端部支架之间。
进一步的，所述中间支架滑动地设置于缸筒内侧的一槽道内，所述中间支架和端部支架具有的刚度以使变形发生在磁性形状记忆合金块处为宜。
进一步的，所述磁性形状记忆合金块采用Ni2MnGa、Ni2FeGa磁性形状记忆合金、复合材料中的一种或多种，形成磁性形状记忆合金块的超弹性效应和磁致形状记忆效应产生被动超弹性、半主动变阻尼和主动控制的多种控制模式。
进一步的，所述芯杆由导杆、线圈和导磁侧翼组成，所述线圈引出的导线通过芯杆引致缸筒外。
进一步的，所述芯杆导出的导线连接电源，用于提供线圈产生沿缸筒径向的磁场所需能源。
进一步的，该阻尼器还包括一种制作方法，该方法包括以下步骤：
步骤1.对结构进行分析，计算出所需要的阻尼器设计参数，据此确定阻尼器缸筒截面、磁性形状记忆单元尺寸与数量、芯杆尺寸等设计参数；
步骤2.采用高强度合金钢无缝钢管加工制作缸筒，内侧预留槽道，并对其内表面采用冷挤压工艺，增强耐磨性；
步骤3.根据设计参数制作端部支架、磁性形状记忆合金块和中间支架，将磁性形状记忆合金块固接于各中间支架之间，并在两端固定端部支架，形成磁性形状记忆单元；
步骤4.制作导杆，并在导杆上安装线圈和导磁侧翼，形成芯杆，进一步在芯杆的一端连接导向活塞，将制作好的磁性形状记忆单元一端的端部支架与导向活塞固接；
步骤5.将拼装好的芯杆和磁性形状记忆单元沿对应槽道装入缸筒，再安装导向螺母，并用螺栓通过导向螺母和端部支架预留的螺孔将未连接的端部支架与导向螺母固接；
步骤6.在导向活塞一侧的缸筒安装螺弹簧，并将弹簧与导向活塞固接，再压入封闭螺母；
步骤7.在芯杆露出的端部和封闭螺母处安装第一连接法兰和第二连接法兰，完成整个阻尼器的装配。
本发明的有益效果是:
1.本发明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；
2.该装置通过构造充分利用了磁性形状记忆合金块的超弹性和磁性形状记忆效应，不通电时表现为被动自复位金属阻尼器，少量能源通电时表现为屈服平台可调节的半主动自复位金属阻尼器，足量能源通电时表现为主动控制作动器和复位器；
3.该阻尼器充分考虑了目前磁性形状记忆合金较脆、仅能制作小尺寸构件等加工特点，具有多工作状态、自动复位、响应频率高、阻尼能力强、性能较稳定等优点。
附图说明
图1是本发明的外观示意图;
图2是本发明的纵剖面结构示意图;
图3是本发明的A-A剖面结构示意图;
图4是本发明的B-B剖面结构示意图。
图中标号说明：1.第一连接法兰，2.芯杆，3.导向螺母，4.缸筒，5.磁性形状记忆单元，6.导向活塞，7.弹簧，8.封闭螺母，11.第二连接法兰，21.导杆，22.线圈，23.导磁侧翼，41.槽道，51.端部支架，52.磁性形状记忆合金块，53.中间支架。
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所示，一种拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器，该阻尼器由第一连接法兰1、第二连接法兰11、芯杆2、导向螺母3、缸筒4、磁性形状记忆单元5、导向活塞6、弹簧7和封闭螺母8组成，所述缸筒4的一端开口处设有导向螺母3，另一端开口处设有封闭螺母8，在缸筒4内部设有芯杆2，所述芯杆2的一端活动地穿过导向螺母3并露出于缸筒4一部分，芯杆2露出于缸筒4的部分与第一连接法兰1相连接，封闭螺母8与第二连接法兰11连接，所述芯杆2的另一端与缸筒4内的一导向活塞6相连接，在沿芯杆2周边布置多个磁性形状记忆单元5，所述磁性形状记忆单元5两端分别与导向螺母3和导向活塞6相连，所述导向活塞6和封闭螺母8之间设有弹簧7，导向活塞6直径略小于缸筒4内径，使得导向活塞6滑动地设于缸筒4内。
在本实施例中，缸筒4为环形截面，采用高强度合金钢无缝钢管，并对其内表面采用冷挤压工艺，增强耐磨性，防止在工作过程中被活塞或中间支架拉毛或划伤。
所述磁性形状记忆单元5由两个端部支架51、多个磁性形状记忆合金块52和多个中间支架53组成,所述的两个端部支架51分别与导向螺母3和导向活塞6固接，所述中间支架53设置于两个端部支架51之间，所述磁性形状记忆合金块52固接于中间支架53之间以及中间支架53与端部支架51之间。
所述中间支架53滑动地设置于缸筒4内侧的一槽道41内，所述中间支架53和端部支架51具有的刚度以使变形发生在磁性形状记忆合金块52处为宜。
所述磁性形状记忆合金块52采用Ni2MnGa、Ni2FeGa磁性形状记忆合金、复合材料中的一种或多种，形成磁性形状记忆合金块52的超弹性效应和磁致形状记忆效应产生被动超弹性、半主动变阻尼和主动控制的多种控制模式。
所述芯杆2由导杆21、线圈22和导磁侧翼23组成，所述线圈22引出的导线通过芯杆2引致缸筒4外。
所述芯杆2导出的导线连接电源，用于提供线圈22产生沿缸筒4径向的磁场所需能源。
在本实施例中，制作拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器包括以下步骤：
步骤1.对结构进行分析，计算出所需要的阻尼器设计参数，据此确定阻尼器缸筒截面、磁性形状记忆单元尺寸与数量、芯杆尺寸等设计参数。
步骤2.采用高强度合金钢无缝钢管加工制作缸筒，内侧预留槽道，并对其内表面采用冷挤压工艺，增强耐磨性。
步骤3.根据设计参数制作端部支架51、磁性形状记忆合金块52和中间支架53，将磁性形状记忆合金块52固接于各中间支架53之间，并在两端固定端部支架51，形成磁性形状记忆单元5。
步骤4.制作导杆21，并在导杆21上安装线圈22和导磁侧翼23，形成芯杆2，进一步在芯杆2的一端连接导向活塞6，将制作好的磁性形状记忆单元5一端的端部支架51与导向活塞6固接。
步骤5.将拼装好的芯杆2和磁性形状记忆单元5沿对应槽道41装入缸筒4，再安装导向螺母3，并用螺栓通过导向螺母3和端部支架51预留的螺孔将未连接的端部支架51与导向螺母3固接。
步骤6.在导向活塞6一侧的缸筒2安装螺弹簧7，并将弹簧7与导向活塞6固接，再压入封闭螺母8。
步骤7.在芯杆2露出的端部和封闭螺母8处安装第一连接法兰1和第二连接法兰11，完成整个阻尼器的装配。
本发明原理
本发明中当阻尼器两端的第一连接法兰1、第二连接法兰11与结构共同工作发生相对运动，推拉芯杆2，使与芯杆2相连的导向活塞6沿轴向相对运动，拉压磁性形状记忆单元5沿阻尼器轴向发生相对位移，由于磁性形状记忆单元5中磁性形状记忆合金块52的约束作用，提供阻尼器的输出力；利用芯杆2导出的电线，可给阻尼器通电，适量的电源下能够在磁性形状记忆合金块52对应位置产生沿阻尼器径向的磁场，从而控制磁性形状记忆合金块52的状态。
不通电时，利用磁性形状记忆合金的超弹性，在小位移的情况下，磁性形状记忆合金块52没有发生马氏体重定向，阻尼器仅给结构提供刚度，刚度由磁性形状记忆单元5与弹簧7串联得到；在大位移的情况下，磁性形状记忆合金块52发生了马氏体重定向，刚度极大降低，开始发生超弹性的滞回现象，通过金属内耗提供阻尼耗能；振动结束后，由于磁性形状记忆合金块52的超弹性效应，能够恢复初始状态，从而使阻尼器复位。
少量能源通电时，利用不同少量磁场下，磁性形状记忆合金块52的超弹性相变起始应力（类似一般钢材的屈服应力）的改变，进入半主动的控制状态。在结构振动时，根据计算所需最优屈服力，通电改变磁性形状记忆合金块52的相变起始应力，调节阻尼器的屈服力大小，实现对结构的半主动控制；振动结束后，由于磁性形状记忆合金块52的超弹性效应，能够恢复初始状态，从而使阻尼器复位。
足量能源通电时，利用足量磁场下，磁性形状记忆合金块52的磁性形状记忆效应，进入自复位的主动控制状态；结构振动时，根据控制计算所需的电源，通电实时改变磁性形状记忆单元中磁性形状记忆合金块52的状态，拉压导向活塞6，从而通过与导向活塞6相连的芯杆2，输出阻尼力，实现对结构的主动控制；振动结束后，利用磁性形状记忆合金块52的磁性形状记忆效应，通电使结构复位。
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 (7)

1.一种拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器，其特征在于，包括缸筒(4)，所述缸筒(4)的一端开口处设有导向螺母(3)，另一端开口处设有封闭螺母(8)，在缸筒(4)内部设有芯杆(2)，所述芯杆(2)的一端活动地穿过导向螺母(3)并露出于缸筒(4)一部分，芯杆(2)露出于缸筒(4)的部分与第一连接法兰（1）相连接，所述芯杆(2)的另一端与缸筒(4)内的一导向活塞(6)相连接，在沿芯杆(2)周边布置多个磁性形状记忆单元(5)，所述磁性形状记忆单元(5)两端分别与导向螺母(3)和导向活塞(6)相连，所述导向活塞(6)和封闭螺母(8)之间设有弹簧(7)。
2.根据权利要求1所述的拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器，其特征在于，所述磁性形状记忆单元(5)由两个端部支架(51)、多个磁性形状记忆合金块(52)和多个中间支架(53)组成,所述的两个端部支架(51)分别与导向螺母(3)和导向活塞(6)固接，所述中间支架(53)设置于两个端部支架(51)之间，所述磁性形状记忆合金块(52)固接于中间支架(53)之间以及中间支架(53)与端部支架(51)之间。
3.根据权利要求2所述的拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器，其特征在于，所述中间支架(53)滑动地设置于缸筒(4)内侧的一槽道(41)内，所述中间支架(53)和端部支架(51)具有的刚度以使变形发生在磁性形状记忆合金块(52)处为宜。
4.根据权利要求2或3所述的拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器，其特征在于，所述磁性形状记忆合金块(52)采用Ni2MnGa、Ni2FeGa磁性形状记忆合金、复合材料中的一种或多种，形成磁性形状记忆合金块(52)的超弹性效应和磁致形状记忆效应产生被动超弹性、半主动变阻尼和主动控制的多种控制模式。
5.根据权利要求1所述的拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器，其特征在于，所述芯杆（2）由导杆（21）、线圈（22）和导磁侧翼（23）组成，所述线圈（22）引出的导线通过芯杆（2）引致缸筒(4)外。
6.根据权利要求5所述的拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器，其特征在于，所述芯杆（2）导出的导线连接电源，用于提供线圈(22)产生沿缸筒（4）径向的磁场所需能源。
7.根据权利要求1-3、5-6中的任一项所述的拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器，其特征在于，该阻尼器还包括一种制作方法，该方法包括以下步骤：
步骤1.对结构进行分析，计算出所需要的阻尼器设计参数，据此确定阻尼器缸筒截面、磁性形状记忆单元尺寸与数量、芯杆尺寸等设计参数；
步骤2.采用高强度合金钢无缝钢管加工制作缸筒，内侧预留槽道，并对其内表面采用冷挤压工艺，增强耐磨性；
步骤3.根据设计参数制作端部支架（51）、磁性形状记忆合金块（52）和中间支架（53），将磁性形状记忆合金块（52）固接于各中间支架（53）之间，并在两端固定端部支架（51），形成磁性形状记忆单元（5）；
步骤4.制作导杆（21），并在导杆（21）上安装线圈（22）和导磁侧翼（23），形成芯杆（2），进一步在芯杆（2）的一端连接导向活塞（6），将制作好的磁性形状记忆单元（5）一端的端部支架（51）与导向活塞（6）固接；
步骤5.将拼装好的芯杆（2）和磁性形状记忆单元（5）沿对应槽道（41）装入缸筒（4），再安装导向螺母（3），并用螺栓通过导向螺母（3）和端部支架（51）预留的螺孔将未连接的端部支架（51）与导向螺母（3）固接；
步骤6.在导向活塞（6）一侧的缸筒（2）安装螺弹簧（7），并将弹簧（7）与导向活塞（6）固接，再压入封闭螺母（8）；
步骤7.在芯杆（2）露出的端部和封闭螺母（8）处安装第一连接法兰（1）和第二连接法兰（11），完成整个阻尼器的装配。
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