CN106013497B - 多向自复位形状记忆合金铅阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多向自复位形状记忆合金双层铅阻尼器，属于工程结构耗能减振技术领域。将阻尼器安装于机械装备及建筑结构上，工作时阻尼器两侧连接杆发生相对伸缩及扭转，使铅块沿错动方向发生剪切及形状记忆合金受拉压扭转协同耗能减振。在遭遇较强振动时，能够对建筑物及设备起到保护的作用。本阻尼器设计组装为双层铅块，且将其嵌固于两层连动套筒中，从而极大提高了阻尼器扭转时耗能减振功能。将形状记忆合金的安置于内筒中，对整个装置起到自复位的作用，且通过调节形状记忆合金的初始应变调节阻尼力。阻尼器具有可恢复的能力大，灵敏性强，抗疲劳，性能稳定，较少的维护修理费用，使用时限长。等的特点。使此阻尼器应用范围广泛。

Description

多向自复位形状记忆合金铅阻尼器

技术领域

本发明涉及多向自复位形状记忆合金铅阻尼器，适用于工程结构耗能减振技术领域。

背景技术

强震及强风等外荷载对工程结构的安全性带来严重威胁，仅通过提高结构自身的刚度及强度，并不能很好的进行消能减震，从而对结构自身造成破坏。这需要使激励外荷载输入的能量依据某种机理将其转变为热能或其他能量形式能将其耗散掉，从而保护结构自身不会被破坏。通过在结构内外添加阻尼器的方法来实现结构振动控制表现出好的控制效果。

目前常用的耗能装置存在各自的不足，如粘弹性阻尼器易老化、粘滞阻尼器的维护困难。为解决不可恢复，耐久性不强，振动后需要维护等问题。形状记忆合金(ShapeMemory Alloy,简称SMA)是一种对形状有记忆功能的新型智能材料。其自身具有的超弹性，其可恢复应变达到6％至8％，极限强度超过1000MPa，使用SMA材料制作的阻尼器和其他阻尼器相比具有抗老化、可靠性强、耐久性强等特点。选择此材料作为阻尼器可提高结构的振动被动控制能力。金属屈服阻尼器中，铅阻尼器具有耗能性能好，使用周期长等特点。工作原理为金属铅进入塑性屈服阶段后通过吸收外荷载输入的能量来达到耗能减振的作用。其中剪切型-阻尼器为利用铅受剪切屈服后产生塑性变形来耗能。而铅振动后发生的塑性变形不可自恢复。并且传统的铅阻尼器不适应于不同大小的拉伸及扭转阻尼力的调节。

目前已研制开发的阻尼器大多仅仅应用于单一方向的振动控制，而荷载响方向通常是随机的，研究多向控制的阻尼器具有工程实际意义。

发明内容

为了解决结构受强荷载作用可能会产生大变形导致结构破坏等问题，本发明提供了多向自复位形状记忆合金铅阻尼器，进行减振耗能。由于阻尼器在安装处的受力可能是扭转或是拉压，所以依据外荷载输入的多向性，本发明的特点为在阻尼器的径向和环向上皆可工作减振耗能。多向自复位形状记忆合金铅阻尼器，其模型为(如图1)，阻尼器从功能上分类主要由两部分装置组成。第一部分是利用铅剪切耗能装置，第二部分是对阻尼器内部各部分的自复位装置。本发明具有多向可调节阻尼力的功能，并且多向阻尼器相比传统单向阻尼，不仅是功能上的叠加，更拓展其适用范围。

多向自复位形状记忆合金铅阻尼器，包括连接杆1、第一内筒-左盖板2、SMA弹簧夹具3、外筒-固定螺栓4、SMA弹簧5；第三内筒6、外筒7、固定板8、预应力调节环板9、SMA丝10、拉杆11、右侧拉环12、左侧拉环13、连接筒14、外筒-左盖板15、内筒-固定螺栓16、预应力调节板17、左拉板18、第一铅块19、第二铅块20、第一内筒21、第二内筒22、右拉板23、第一内筒-右挡板24、SMA丝夹具25、外筒-右盖板26；

第一内筒21与第二内筒22间安装第一铅块19、第二内筒22和第三内筒6间安装第二铅块20，构成双层剪切型-铅阻尼器；

外筒7两端分别为外筒-左盖板15和外筒-右盖板26，左侧拉环13、连接杆1、连接筒14依次焊接，并固定于外筒-左盖板15的中心处；拉杆11右端焊接拉环12，拉杆11左端依次焊接第一内筒-右挡板24和第一内筒21，第一内筒21左端焊有第一内筒-左盖板2；第一内筒21的中间段，即第一内筒-左盖板2和第一内筒-右挡板24间外表面开槽；将第一铅块19的下半部分嵌入于第一内筒21外表面的槽中，第一铅块19的上半部分嵌入于第二内筒22内壁开的槽中；在第二内筒22外表面开槽，将第二铅块20的下半部分嵌入于第二内筒22外表面的槽中，将第二铅块20的上半部分嵌入于第三内筒6内壁开的槽中；

自复位装置由SMA弹簧5和SMA丝10组成，SMA弹簧5负责第二内筒22向左拉伸及扭转时自复位，SMA丝10负责拉杆11的扭转及拉压时自复位。四组SMA弹簧5安装于第三内筒6和外筒7间形成的中部空腔内，SMA弹簧5左端依次穿过固定板8、左拉板18和预应力调节板17，右端依次穿过固定板8和右拉板23，并通过SMA弹簧夹具3旋紧拉固；三排共9根SMA丝10以环向夹角45度依次穿过拉杆11和外筒7开设的孔中，并通过预应力调节环板9和SMA丝夹具25配合固定；SMA丝10横向安装于外筒7；通过调节SMA弹簧夹具3、SMA丝夹具25分别改变SMA弹簧5、SMA丝10的初始应力变形，进而调阻尼力。SMA材料由于其超弹性具有较强的自复位能力，且其本身具有的抗疲劳，较高的拉伸扭转强度等特性，在高消能后能够使阻尼器能够恢复初始状态。

在第二内筒22左侧焊接左拉板18，在第三内筒6左右两侧分别焊接环形固定板8；左侧固定板8上设有四个通孔，通孔型为以环向40度的环形孔；右侧固定板8及右拉板23开小圆孔；预应力调节板17通过固定螺栓16固定在左拉板18上；固定板8通过外筒-固定螺栓4固定在外筒7上。

本发明的有益效果是稳定性强，较强的自恢复特性，且具有耐久性和抗疲劳的特性。能有效提高结构的抗振性能，并且双层剪切铅块布置使其具有小变形且高阻尼力的特点，以上优点使其具有应用于市场后广阔的前景。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图。

图2是本发明图1的a-a截面剖面图。

图3是本发明图1的b-b截面剖面图。

图4是本发明图1的c-c截面剖面图。

图5是本发明图1的d-d截面剖面图。

图6是本发明推拉杆平面图。

图7是本发明推拉杆1-1截面剖面图。

图8是本发明推拉杆2-2截面剖面图。

图9是本发明推拉杆3-3截面剖面图。

图10是本发明预应力调节板平面图。

图11是本发明预应力调节板剖面图。

图12是本发明固定板平面图。

图13是本发明固定板剖面图。

图中：1连接杆；2第一内筒-左盖板；3 SMA弹簧夹具；4外筒-固定螺栓；5 SMA弹簧；6第三内筒；7外筒；8固定板；9预应力调节环板；10 SMA丝；11拉杆；12右侧拉环；13左侧拉环；14连接筒；15外筒-左盖板；16内筒-固定螺栓；17预应力调节板；18左拉板；19第一铅块；20第二铅块；21第一内筒；22第二内筒；23右拉板；24第一内筒-右挡板；25 SMA丝夹具；26外筒-右盖板。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，详尽说明本发明的具体实施方式。

多向自复位形状记忆合金铅阻尼器主要包括：连接杆1、第一内筒-左盖板2、SMA弹簧夹具3、外筒-固定螺栓4、SMA弹簧5；第三内筒6、外筒7、固定板8、预应力调节环板9、SMA丝10、拉杆11、右侧拉环12、左侧拉环13、连接筒14、外筒-左盖板15、内筒-固定螺栓16、预应力调节板17、左拉板18、第一铅块19、第二铅块20、第一内筒21、第二内筒22、右拉板23、第一内筒-右挡板24、SMA丝夹具25、外筒-右盖板26；左侧拉环13、右侧拉环12在中轴线上以互成90度角布置，目的除了使阻尼器与结构连接牢固外，同时考虑到两侧受到拉伸和扭转两个方向的力矩，使阻尼效果更好。

本阻尼器适用于多向受力情况，分别从环向扭转时及径向拉压时阐述其耗能减振机理。首先，当拉杆11向左拉伸带动第一内筒21左移，第一内筒-左盖板2推动左拉板18向左移动，从而带动焊接在其右侧的第二内筒22左移。第二内筒22往左移动与第三内筒6发生相对位移，由于第三内筒6固定于外筒7上，剪切位于第二内筒22与第三内筒6之间的第二铅块20；同时SMA弹簧5左端随左拉板18向左拉伸。当拉杆11向右拉伸带动第一内筒21右移时，由于第二内筒22受到左拉板18限制，使第一内筒21与第二内筒22发生相对位移，剪切位于第一内筒21与第二内筒22之间的第一铅块19；与此同时，第一内筒-右挡板24将推动右拉板23向右移动，从来向右拉伸SMA弹簧5。由于拉杆11左移使其与外筒7发生相对位移，拉伸SMA丝10。在整个过程中SMA丝10、SMA弹簧5拉伸耗能，第二铅块20、第一铅块19受剪切屈服后产生塑性变形耗能。使用工作后，由于SMA丝、SMA弹簧的较强的超弹性，使得整个装置在移动过后恢复到原来的位置。

当右侧拉杆11与左侧连接杆1发生相对转动时，由于左拉板18、右拉板23连接于处于预拉伸状态的SMA弹簧5的两端，且左拉板18焊接于第二内筒22的左端，限制了第二内筒22自由转动。首先，拉杆11转动带动焊接于其左端的第一内筒21发生相对转角，从而沿环向剪切嵌入于第一内筒21和第二内筒22间第一铅块19；随着承受高扭转力的增大，位于左拉板18与右拉板23之间的SMA弹簧5被拉伸扭转，第二内筒22发生转动与固定于外筒7上的第三内筒6发生相对转角，从而沿环向剪切嵌入于第二内筒22和第三内筒6间第二铅块20。在扭转的整个过程中，左拉板18带动左端SMA弹簧5绕固定板8上环形孔沿环向转动，与右端发生相对转角，此过程中弹簧将受到拉伸及扭转力的作用。而扭转后，由于SMA弹簧本身就有的超弹性，将带动左拉板18与第二内筒22自恢复到初始位置。在整个扭转的过程中，拉杆11扭转使其与外筒7沿环向发生相对转角，从而拉伸固定于预应力调节环板9上依次穿过外筒7、拉杆11的预应力SMA丝10。扭转后，由于SMA丝材料具有超弹性，使拉杆11自恢复到初始位置。在整个过程中SMA丝10、SMA弹簧5拉伸扭转耗能，第二铅块20、第一铅块19沿环向受剪切屈服后产生塑性变形耗能。预应力SMA丝及SMA弹簧不仅具有良好的高耗能特性，且分别负责两套内筒装置的自复位，从而确保整个装置在使用后能准确复位。

本发明主要特点为，由于采用剪切型金属铅及SMA材料来消能减震高耗能使其具有稳定性强，耐久性好、阻尼力可调节。装置采用双层铅块使得可调节的阻尼力提升。

Claims (1)

1.一种多向自复位形状记忆合金铅阻尼器，其特征在于，该多向自复位形状记忆合金铅阻尼器包括连接杆、第一内筒-左盖板、 SMA弹簧夹具、外筒-固定螺栓、SMA弹簧；第三内筒、外筒、固定板、预应力调节环板、SMA丝、拉杆、右侧拉环、左侧拉环、连接筒、外筒-左盖板、内筒-固定螺栓、预应力调节板、左拉板、第一铅块、第二铅块、第一内筒、第二内筒、右拉板、第一内筒-右挡板、SMA丝夹具、外筒-右盖板；

第一内筒与第二内筒间安装第一铅块、第二内筒和第三内筒间安装第二铅块，构成双层剪切型-铅阻尼器；

外筒两端分别为外筒-左盖板和外筒-右盖板，左侧拉环、连接杆、连接筒依次焊接，并固定于外筒-左盖板的中心处；拉杆右端焊接拉环，拉杆左端依次焊接第一内筒-右挡板和第一内筒，第一内筒左端焊有第一内筒-左盖板；第一内筒的中间段，即第一内筒-左盖板和第一内筒-右挡板间外表面开槽；将第一铅块的下半部分嵌入于第一内筒外表面的槽中，第一铅块的上半部分嵌入于第二内筒内壁开的槽中；在第二内筒外表面开槽，将第二铅块的下半部分嵌入于第二内筒外表面的槽中，将第二铅块的上半部分嵌入于第三内筒内壁开的槽中；

自复位装置由SMA弹簧和SMA丝组成，SMA弹簧负责第二内筒向左拉伸及扭转时自复位，SMA丝负责拉杆的扭转及拉压时自复位；四组SMA弹簧安装于第三内筒和外筒间形成的中部空腔内，SMA弹簧左端依次穿过固定板、左拉板和预应力调节板，右端依次穿过固定板和右拉板，并通过SMA弹簧夹具旋紧拉固；三排共9根SMA丝以环向夹角45度依次穿过拉杆和外筒开设的孔中，并通过预应力调节环板和SMA丝夹具配合固定；SMA丝横向安装于外筒；通过调节SMA弹簧夹具、SMA丝夹具分别改变SMA弹簧、SMA丝的初始应力变形，进而调阻尼力；

在第二内筒左侧焊接左拉板，在第三内筒左右两侧分别焊接固定板；左侧固定板上设有四个通孔，通孔型为以环向40度的环形孔；右侧固定板及右拉板开小圆孔；预应力调节板通过固定螺栓固定在左拉板上；固定板通过外筒-固定螺栓固定在外筒上。