CN111809759A - 一种基于形状记忆合金的半主动温控减振装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于形状记忆合金的半主动温控减振装置及方法，包括质量块，所述质量块能够在设定平面内运动，所述质量块通过连接机构与刚性杆连接，所述刚性杆端部伸入温控箱内部，且固定有端板，所述端板与弹簧的一端固定连接，弹簧的另一端与温控箱的箱壁固定连接，质量块能够通过连接机构和刚性杆带动端板在温控箱内运动，所述弹簧采用形状记忆合金制成，所述温控箱内安装有温度控制装置，用于控制温控箱内的温度，本发明的减振装置能够实现变刚度智能减振及宽频减振。

Description

一种基于形状记忆合金的半主动温控减振装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程振动控制技术领域，具体涉及一种基于形状记忆合金的半主动温控减振装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

随着社会的快速发展，各种大型建筑相继建成，具有重要的经济和社会意义，因而需要更大的可靠性与安全性。传统的设计理念主要通过大尺寸构件来提高结构强度与刚度，导致建筑结构质量增加且费用代价过大。目前，合理有效的抗震途径是在建筑结构上附加阻尼装置，以减轻结构的地震响应。

目前，根据是否需要外界能量输入，振动控制技术分为被动控制、半主动控制和主动控制。半主动控制和主动控制需要额外的能量输入，能够根据外界激励情况来实时的调节自身的工作能力，减振效果更加显著。然而，由于理论基础不成熟和工程实际条件局限性等原因，工程中应用中最多且研究最成熟的是被动控制。其中，调谐质量阻尼器构造简单，是目前应用最为广泛的减振方式之一。调谐质量阻尼器主要由质量块、螺旋弹簧和阻尼系统组成。发明人发现，由于螺旋弹簧自身性质的约束，无法做到改变自身阻尼和刚度来适应不同激励强度下的减振要求，易导致阻尼器的振动频率与结构的振动频率相失谐，所能控制的频带范围较窄。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种基于形状记忆合金的半主动温控减振装置，能够实现非线性变刚度智能减振的目的，而且能够实现宽频减振。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种基于形状记忆合金的超弹性半主动温控减振装置，包括能够在设定平面内运动的质量块，所述质量块通过连接机构与刚性杆连接，所述刚性杆端部伸入温控箱内部且固定有端板，所述端板与弹簧的一端固定连接，弹簧的另一端与温控箱的箱壁固定连接，质量块能够通过连接机构和刚性杆带动端板在温控箱内运动，所述弹簧采用形状记忆合金制成，所述温控箱内安装有温度控制装置，用于控制温控箱内的温度。

第二方面，本发明的实施例提供了一种基于形状记忆合金的半主动温控减振装置的方法，主体结构在地震或风载荷作用下发生振动时，质量块在设定平面内运动，温度控制装置控制温控箱内的温度，使得由形状记忆合金制成的弹簧达到设定温度，发挥最佳减振能力。

本发明的有益效果：

本发明的温控减振装置，弹簧采用形状记忆合金制成，在不同温度下具有稳定的超弹性性能，当马氏体和奥氏体之间发生顺、逆相态转变时可以实现非线性变刚度智能减振的目的，且温控箱内的温度能够利用温度控制装置进行实时调节，可以根据外界激励变化情况和结构振动响应形式实时的改变弹簧的屈服力，实现宽频减振的目的。当主体结构振动结束后，将弹簧能够恢复到最初状态，使其在下次工作时仍然实现良好的减振能力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1整体结构主视图；

图3为本发明实施例1整体结构俯视图；

图4为本发明实施例1第一温控箱内部结构示意图；

图5为本发明实施例1第二温控箱内部结构示意图；

图6为本发明实施例1加热件、冷却件与供电原理图；

图7为本发明实施例1不同温度下第一弹簧或第二弹簧的力-位移曲线示意图；

其中，1.质量块，2.外壳，3.凹槽，4.第一温控箱，5.第二温控箱，6.承台，7.金属球，8.连杆，9.铰接座，10.第一滑块，11.第一导轨Ⅰ，12.第一导轨Ⅱ，13.第一刚性杆，14.端面轴承，15.第一端板，16.第一弹簧，17.第二滑块，18.第二导轨，19.第二刚性杆，20.第二端板，21.第二弹簧，22.加热器，23.微型制冷器，24.温度传感器，25.电源，26.第一开关，27.第二开关。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，目前的调谐质量阻尼器无法做到改变自身阻尼和刚度来适应不同激励强度下的减振要求，易导致阻尼器的振动频率与结构的振动频率相失谐，所能控制的频带范围较窄，针对上述问题，本申请提出了一种基于形状记忆合金的半主动温控减振装置。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-5所示，一种基于形状记忆合金的半主动温控减振装置，包括质量块1、外壳2、连接机构、刚性杆、弹簧、温控箱及温度控制装置，所述温度控制装置安装在温控箱内，所述温控箱包括第一温控箱4及第二温控箱5，第一温控箱和第二温控箱相互垂直设置，第一温控箱和第二温控箱内均伸入有刚性杆，质量块的运动能够使第一温控箱和第二温控箱内的刚性杆端部运动。

所述质量块设置在外壳内部，所述质量块采用正方体结构，可以理解的是，在其他一些实施例中，所述质量块也可采用长方体结构或其他结构。

所述质量块下方设置有承台6，所述承台的上表面设置有均匀分布的十二个凹槽3，所述凹槽内放置有球体，所述球体采用金属球7，所述金属球与质量块的底面接触，质量块能够通过金属球在设定平面内沿任意方向运动。

在其他一些实施例中，所述凹槽和金属球的可设置其他数量，只要能够满足对质量块进行支撑，且质量块能够通过金属球在设定平面内运动即可。

所述连接机构包括连杆8、第一滑块和第一导轨，所述质量块的四个侧面均安装有四个连杆，其中两个连杆位于另外两个连杆的上方，上方的两个连杆的高度相同，下方的两个连杆的高度相同，四个连杆相对于质量块侧面的中心点对称设置。四个连杆与水平面呈夹角设置，且上方的两个连杆朝上倾斜，下方的连杆朝下倾斜。

所述连杆的一端通过铰接座与质量块的侧面转动连接，另一端通过铰接座9与第一滑块10转动连接，所述第一滑块与第一导轨滑动连接，所述第一导轨的轴线平行于设定平面设置，第一滑块能够沿第一导轨滑动。

本实施例中，上方两个连杆所连接的第一滑块与第一导轨Ⅰ11滑动连接，下方的两个连杆所连接的第一滑块与第一导轨Ⅱ12滑动连接。

第一导轨Ⅰ和第一导轨Ⅱ的两端均固定有第一温控箱4，所述第一滑块与第一刚性杆13的一端固定连接，第一刚性杆的另一端伸入第一温控箱内部，所述第一温控箱的箱壁上设置有端面轴承14，第一刚性杆通过端面轴承伸入第一温控箱内部。

所述第一刚性杆伸入第一温控箱内部的端部设置有第一端板15，所述第一端板与第一温控箱的箱壁之间设置有第一弹簧16，所述第一弹簧一端与第一端板固定连接，另一端与第一温控箱的箱壁固定连接，本实施例中，所述第一端板的两个侧面与第一温控箱的箱壁之间均设置有第一弹簧，第一弹簧设置多个，所述第一弹簧采用形状记忆合金制成，在变化温度下具有稳定的超弹性性能，当马氏体和奥氏体之间发生顺、逆相态转变时可以实现非线性变刚度智能减振的目的，本实施例中，制作第一弹簧的形状记忆合金含铜87％、含铝12％、含铍0.5％，其余为杂质，杂质在此不罗列其成分，可以理解的是，所述弹簧的制作材料也可采用其他类型的形状记忆合金，只要满足实际需要即可。

第一导轨Ⅰ和第一导轨Ⅱ两端的第一温控箱均固定有第二滑块17，所述第二滑块与第二导轨18滑动连接，所述第二导轨的轴线垂直于设定平面设置，第一导轨Ⅰ和第一导轨Ⅱ能够通过第二滑块沿第二导轨运动。

第一导轨Ⅰ和第一导轨Ⅱ所设置的第二滑块均与第二刚性杆19的一端固定连接，第二刚性杆的另一端通过端面轴承伸入第二温控箱中，所述第二温控箱固定在第二导轨的中部位置，所述第二温控箱的端部固定有第二端板20，所述第二端板与第二温控箱的箱壁之间设置有第二弹簧21，所述第二弹簧采用形状记忆合金制成，在变化温度下具有稳定的超弹性性能，当马氏体和奥氏体之间发生顺、逆相态转变时可以实现非线性变刚度智能减振的目的，本实施例中，制作第二弹簧的形状记忆合金含铜87％、含铝12％、含铍0.5％，其余为杂质，在此不罗列其成分。可以理解的是，所述弹簧的制作材料也可采用其他类型的形状记忆合金，只要满足实际需要即可。

主体结构在地震或风载荷作用下发生振动时，质量块能够通过金属球在设定平面内运动，在连杆的作用下，第一滑块沿第一导轨运动，第一导轨通过第二滑块沿第二导轨运动，第一滑块、第二滑块的运动带动第一刚性杆和第二刚性杆的运动，进而第一端板和第二端板带动第一弹簧和第二弹簧拉伸或压缩，起到减振的作用。

本实施例中，连杆倾斜设置，能够实现节约减振空间且稳定减振的目的，且具有相互垂直的第一导轨和第二导轨，第一滑块和第二滑块能够在其中滑动，实现了多维控制结构振动的目的。

第一弹簧和第二弹簧的耗能量计算方法如下：

设第一温控箱内的第一弹簧数量为w，第二温控箱内内的第二弹簧数量为m，连杆的长度为h，连杆与水平方向的夹角为θ₁。质量块能够在设定平面(为水平面)内沿X方向和Y方向运动，X方向和Y方向相互垂直，若质量块在水平面内X方向的运动距离为Δx，则质量块一侧的连杆角度变为θ₂，另一侧连杆角度变为θ₃，此时该减振装置中第一弹簧和第二弹簧的总阻尼力F为：

F＝2mkH{(sinθ₂-sinθ₁)+(sinθ₁-sinθ₂)}+8wkΔx

当质量块在水平面Y方向上发生振动时，该减振装置中第一弹簧和第二弹簧的耗能量同样用上式计算。

所述第一温控箱及第二温控箱内均安装有温度控制装置，所述温度控制装置包括安装在第一温控箱及第二温控箱内部的加热件、冷却件及温度传感器。

所述加热件采用现有的加热器22，所述冷却件采用现有的微型制冷器23，所述加热器及微型制冷器均与控制系统连接，控制系统能够控制加热器及微型制冷器的工作，对第一温控箱及第二温控箱内的环境进行加热或冷却。

所述温度传感器24用于检测第一温度控制箱及第二温度控制箱内环境的温度，并将检测得到的温度信息传输给控制系统。

如图6所示，所述温度传感器、加热器及微型制冷器并联后与电源25连接，电源用于对温度传感器、加热器及微型制冷器进行供电，所述加热器与第一开关26串联，第一开关用于控制电源对加热器供电的导通和断开，所述微型制冷器与第二开关27串联，第二开关用于控制电源对微型制冷器供电的导通和断开。

采用微型制冷器和加热器对温控工作腔内的温度进行实时调节，可以根据外界激励变化情况和结构振动响应形式实时的改变第一弹簧和第二弹簧的屈服力，实现宽频减振的目的。

假设第一弹簧和第二弹簧的几何尺寸和材料属性均一致，则一根第一弹簧或第二弹簧的刚度k计算公式为：

其中，G为剪切模量，d为第一弹簧或第二弹簧的丝径，n为第一弹簧或第二弹簧圈数，D为第一弹簧或第二弹簧中径。

当温控工作腔内的温度由环境温度T_o变化为T₁时，四个相变应力的计算公式为：

其中，

和

分别为环境温度T_o下马氏体开始相变应力，马氏体结束相变应力，奥氏体开始相变应力和奥氏体结束相变应力，C_M为与温度相关的系数。通过有限元数值模拟，第一弹簧或第二弹簧在-40°到40°的本构曲线如图7所示。

通过图7可以看出，不同温度下，第一弹簧和第二弹簧的屈服力不同。

本实施例中，所述第二导轨及第二温控箱均与外壳的内侧面固定连接，质量块、承台、金属球、第一导轨、第一温控箱、第一滑块、第二滑块、第一刚性杆、第二刚性杆等元件均位于外壳内部，所述外壳采用不锈钢材质制成，在露天环境下对内部的元件起到保护作用。

实施例2：

本实施例公开了一种实施例1所述的基于形状记忆合金的半主动温控减振装置的方法：

当主体结构在地震作用或风荷载下发生振动时，质量块由于惯性在金属球上光滑移动。若在温度传感器24记录的环境温度T_o下，减振装置无法达到理想的减振效果时，则通过控制第一开关和第二开关对温控箱内的温度进行调整。若闭合第二开关，电流穿过微型制冷器并开始制冷，温控箱的温度逐渐减低并达到设定温度，使得温控箱内的第一弹簧或第二弹簧达到最佳减振能力。若闭合第一开关，则电流穿过加热器并开始制热，温控箱内的温度逐渐升高并达到设定温度，使得温控箱内的第一弹簧或第二弹簧发挥最佳减振能力。若主体结构振动结束后，第一开关和第二开关断开，则温控工作腔内的温度会逐渐恢复到工作环境的温度T_o。值得注意的是，由于温控箱的体积较小，因为无论是制冷还是加热，所需的时间都比较短。

由于第一弹簧和第二弹簧采用形状记忆合金制成，具有显著的可恢复变形能力，当主体结构振动结束后，第一弹簧和第二弹簧能够恢复至最初状态，即整个减振装置恢复至最初状态，使其在下次工作时仍然实现良好的减振能力。

本实施例的减振装置工作时，仅需要控制加热器及微型制冷器工作，仅需要少量的能量输入即可发挥理想的减振作用，构造简单，维护方便，可用于高耸、体型复杂和安全要求高的建筑结构减振，保证结构的安全性和耐久性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于形状记忆合金的超弹性半主动温控减振装置，其特征在于，包括能够在设定平面内运动的质量块，质量块通过连接机构与刚性杆连接，刚性杆端部伸入温控箱内部且固定有端板，端板与弹簧的一端固定连接，弹簧的另一端与温控箱的箱壁固定连接，质量块能够通过连接机构和刚性杆带动端板在温控箱内运动，弹簧采用形状记忆合金制成，温控箱内安装有温度控制装置。

2.如权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的超弹性半主动温控减振装置，其特征在于，所述质量块下方设置有承台，所述承台设置有多个凹槽，凹槽内放置有球体，所述球体与质量块底面接触，质量块能够通过球体在设定平面内运动。

3.如权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的超弹性半主动温控减振装置，其特征在于，所述连接机构包括连杆，连杆一端与质量块的侧面铰接，连杆的另一端与第一滑块铰接，第一滑块与第一导轨滑动连接，第一导轨平行于设定平面设置，第一滑块与第一刚性杆的一端固定连接，第一刚性杆的另一端伸入设置在第一导轨端部的第一温控箱内部。

4.如权利要求3所述的一种基于形状记忆合金的超弹性半主动温控减振装置，其特征在于，所述第一温控箱固定有第二滑块，第二滑块与第二导轨滑动连接，第二导轨与设定平面垂直设置，第二滑块与第二刚性杆的一端固定连接，所述第二刚性杆的另一端伸入第二温控箱内部。

5.如权利要求4所述的一种基于形状记忆合金的超弹性半主动温控减振装置，其特征在于，所述第二导轨、第二温控箱固定在外壳内部。

6.如权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的超弹性半主动温控减振装置，其特征在于，所述温度控制装置包括设置在温控箱内的加热件及冷却件，加热件及冷却件均与控制系统连接，由控制系统控制其工作。

7.如权利要求6所述的一种基于形状记忆合金的超弹性半主动温控减振装置，其特征在于，所述温度控制装置还包括温度传感器，温度传感器用于检测温控箱内的温度，温度传感器与控制系统连接，能够将检测得到的温度信息传输给控制系统。

8.如权利要求6所述的一种基于形状记忆合金的超弹性半主动温控减振装置，其特征在于，所述加热件及冷却件并联后与电源连接，由电源对其进行供电，加热件与第一开关串联，第一开关用于控制电源对加热件的通断电，冷却件与第二开关串联，第二开关用于控制电源对冷却件的通断电。

9.如权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的超弹性半主动温控减振装置，其特征在于，制作弹簧的形状记忆合金含铜85％、含铝12％，含铍0.5％，其余为杂质。

10.一种权利要求1-9任一项所述的基于形状记忆合金的超弹性半主动温控减振装置的方法，其特征在于，主体结构在地震或风载荷作用下发生振动时，质量块在设定平面内运动，温度控制装置控制温控箱内的温度，使得由形状记忆合金制成的弹簧达到设定温度，发挥最佳减振能力。

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