CN112282473A - 一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器 - Google Patents

一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器 Download PDF

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Abstract

一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器属于结构振动控制技术领域。该阻尼器包括质量块、SMA棒材、万向铰、热电偶、冷喷雾喷头、热喷雾喷头、保温外壳、控温系统。SMA棒材上端刚接于主结构顶层楼板，下端以万向铰连接质量块，整体由保温外壳加以密闭，通过热电偶与控温系统的联动，实时调节保温外壳内置冷热喷雾喷头，以达到控制SMA棒材温度的效果，使其力学性能改变，实现本发明对主结构的减震功能。与现有技术相比，本发明具有刚度调节简便、耗能性能强、易于维护安装及耐久性好的优点。

Description

一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器
技术领域
本发明属于结构振动控制技术领域，具体涉及一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器。
背景技术
调谐质量阻尼器(TMD)是一种既便捷又经济的振动控制措施，其应用于结构的概念源于Frahm在1909年发明的吸振器，当结构在外激励作用下产生振动时，TMD系统的振动频率被调节至主结构振动频率附近，利用TMD系统共振所产生的惯性力反作用于结构上，从而减小主结构的振动。但TMD系统因自振频率通常无法与受控结构切合，导致系统失调，反而加大主结构振动，因此仍有待完善。
半主动调谐质量阻尼器(STMD)可调节自身动力特征，拓宽其频域控制范围，有效适应受控结构动力特性被改变的情况，具有高耗能、使用安全及经济便捷的优良特性。但普遍应用的机械型变刚度STMD仍具有自重大、结构复杂、安装和保养困难和工作时稳定性较差等问题。
形状记忆合金(SMA)是一种新型智能材料，具有独特的热力学性能和材料相变性能，可通过改变工作温度对其刚度和阻尼特性进行调节。此外，超弹性SMA同时具有自复位性能和较高的耗能特性，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器。
为实现上述目的，可通过以下技术方案来实现：
本发明涉及的形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：包括质量振子(1)、SMA棒材(2)、万向铰(3)、热电偶(4)、冷喷雾喷头(5)、热喷雾喷头(6)、保温外壳(7)、控温系统(8)。
本发明中所用的SMA棒材为NiTi-SMA试样，截面形状为矩形，两端截面积较大，中间段截面积较小，之间以梯台状均匀过渡(如图2)，以抵偿两端因连接而产生的材料损耗。
质量振子是钢制立方体，其质量为主结构质量的1％。
SMA棒材上端刚接于主结构顶层楼盖，起到固定作用。
SMA棒材下端以万向铰连接所述质量振子，在结构振动时充分发挥SMA材料的自复位性能，减小残余应力对材料的破坏。
SMA棒材共4根，对称布置在质量振子上(如图1)，控制质量振子在水平面内的X、Y方向上的振动相同。
含孔洞且无顶面的空腔保温外壳倒扣并刚接在顶层楼盖上，以起到保温的效果。
每根SMA棒材分别配有一个热电偶，将每个热电偶的两个热电极焊接在SMA棒材上，以实时监测SMA棒材的温度。
每根SMA棒材配有一组冷热喷雾喷头，棒材上下端布置孔洞，各探入冷热喷雾喷头至保温外壳内，以控制SMA棒材温度均匀，力学性能一致。
控温系统包括加速度传感器、主机、热电偶、冷喷雾喷头、热喷雾喷头；所述加速度传感器与主机联接，焊接于主结构顶层楼盖，用于测量主结构整体发生位移时的加速度，由主机进行快速傅立叶变换分析，控制冷热喷雾喷头实时调节保温外壳内SMA棒材的温度；热电偶用于检测并反馈SMA棒材的温度是否达到既定温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
第一，依靠自身材料的相变特性提供半主动控制，具有机械构造简单、安装简便的优势，节省大量使用空间，提升了经济效益；
第二，SMA具有超弹性性能，可降低阻尼器材料的残余变形，提升TMD在抗震中的结构稳定性；
第三，SMA具有自复位性能，可耗散大量能量，由此降低TMD与受控结构的高质量比需求；
第四，半主动控制特性可有效应对TMD失调问题。
附图说明
图1为本发明所提供的实施例形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器结构内部构造详图；
图2为本发明所提供的实施例中形状记忆合金棒材的细部图；
图3为本发明所提供的实施例中控温系统的原理流程图。
图中：1-质量振子，2-SMA棒材，3-万向铰，4-热电偶，5-冷喷雾喷头，6-热喷雾喷头，7-保温外壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种形状记忆合金的半主动调谐质量阻尼器，包括质量振子1、SMA棒材2、万向铰3、热电偶4、冷喷雾喷头5、热喷雾喷头6、保温外壳7、控温系统8。
SMA棒材2共4根，上端嵌入并刚接于主结构顶层楼盖，下端焊接万向铰3以连接质量振子1，以对称布置在质量振子1上。
含孔洞且无顶面的空腔保温外壳7倒扣刚接在主结构顶层楼板上。
每根SMA棒材2分别配有一个热电偶4，将每个热电偶4的两个热电极焊接在SMA棒材2上。
每根SMA棒材2配有一组冷热喷雾喷头5,6，棒材上下端布置孔洞，各探入冷热喷雾喷头至保温外壳7内，与SMA棒材2保持间距并加以固定。
控温系统中的加速度传感器焊接于主结构顶层楼板，用控制电路将加速度传感器、主机、冷热喷雾喷头5,6和热电偶4(如图2连接)。

Claims (10)

1.一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：包括质量振子(1)、SMA棒材(2)、万向铰(3)、热电偶(4)、冷喷雾喷头(5)、热喷雾喷头(6)、保温外壳(7)及控温系统(8)；所述SMA棒材(2)上端刚接于主结构顶层楼板，下端以万向铰(3)连接质量振子，整体由保温外壳(7)加以密闭，通过热电偶(4)与控温系统(8)的联动，实时调节保温外壳(7)内置冷热喷雾喷头，以达到控制SMA棒材(2)温度的效果，使其力学性能改变，实现对主结构的减震功能。
2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述SMA棒材(2)为NiTi-SMA试样，截面形状为矩形，两端粗至中间细以抵偿两端因连接而产生的材料损耗。
3.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量振子(1)是水平截面为正方形的钢制立方体，其质量为主结构质量的1％。
4.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述SMA棒材(2)共4根，对称布置在质量振子(1)上控制质量振子(1)在水平面内的X、Y方向上的振动相同。
5.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述保温外壳(7)为含孔洞且无顶面的空腔立方壳体，将其倒扣刚接在主结构顶层楼盖上，以起到保温的效果。
6.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：每根SMA棒材(2)分别配有一个所述热电偶(4)，将每个热电偶(4)的两个热电极焊接在SMA棒材(2)上，以实时监测并反馈SMA棒材(2)是否达到既定温度。
7.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：每根SMA棒材(2)配有1组所述冷热喷雾喷头，将1组冷热喷雾喷头分别从布置于棒材上、下部的孔洞探入保温外壳内，与SMA棒材(2)保持间距并加以固定，使SMA棒材(2)控温均匀，力学性能一致。
8.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述控温系统(8)包括加速度传感器、主机，各组件之间用控制电路连接。
9.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：加速度传感器与主机通过控制电路连接，并焊接于主结构顶层楼盖，用于测量主结构整体发生位移时的加速度。
10.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述主机进行快速傅立叶变换分析，计算出SAM棒材(2)的既定温度，控制冷热喷雾喷头实时调节保温壳内SMA棒材(2)的温度。
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