CN114110069A - 基于金属橡胶的粘滞阻尼器及基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器 - Google Patents

基于金属橡胶的粘滞阻尼器及基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器 Download PDF

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CN114110069A CN202111542571.4A CN202111542571A CN114110069A CN 114110069 A CN114110069 A CN 114110069A CN 202111542571 A CN202111542571 A CN 202111542571A CN 114110069 A CN114110069 A CN 114110069A
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Abstract

基于金属橡胶的粘滞阻尼器及基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器，属于土木工程消能减震技术领域。为解决现有的粘滞阻尼器存在的在极限位移下活塞冲击油缸筒导致粘滞阻尼器失效和在低速脉冲作用下粘滞阻尼器耗能能力弱的问题。本发明的基于金属橡胶的粘滞阻尼器的左端盖固装在第一阻尼缸体的左端口，右端盖固装在第一阻尼缸体内；第二阻尼缸体的开口端从第一阻尼缸体的右端口伸入到第一阻尼缸体内，并固装在右端盖上，第二阻尼缸体内左右两端各设置一个金属橡胶圈，第二活塞处于两个金属橡胶圈之间，活塞杆的一端与第一连接件固连，活塞杆的另一端伸入到第二阻尼缸体内与第二活塞固连；第一活塞将第一阻尼缸体的内腔分为第一阻尼腔体和第二阻尼腔体。

Description

基于金属橡胶的粘滞阻尼器及基于形状记忆合金丝的粘滞阻 尼器
技术领域：
本发明属于土木工程消能减震技术领域，涉及一种基于金属橡胶的粘滞阻尼器及一种基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器。
背景技术：
传统结构抗震方法是通过增强结构本身的强度、刚度等抵抗地震作用，即由结构本身储存和消耗地震能量，这是被动消极的抗震对策。由于地震的随机性，尚不能准确地估计地震灾害作用的强度和特性。因此，按照传统抗震方法设计的结构不具备自我调节功能，在地震或风荷载作用下很可能产生严重破坏或倒塌。结构耗能减震技术通过在结构物的某些部位设置耗能装置，通过耗能装置来吸收地震输入结构中能量，以减小主体结构的响应。
液体粘滞阻尼器是结构地震保护装置中常用的被动耗能装置，通过粘滞液体与活塞头之间摩擦耗能，在较大的频率范围内都呈现比较稳定的阻尼特性。液体粘滞阻尼器为速度相关型阻尼器，对结构不产生附加刚度，不影响结构动力特性，从而能够较好的保护主体结构使其在大震中免受严重损伤。
但液体粘滞阻尼器在极端荷载作用下，活塞的位移行程可能会超过其可允许的行程范围，造成活塞冲击缸体内壁，导致阻尼器破坏，失去耗能能力和阻尼作用，进而导致主体结构发生破坏。一种解决办法是在粘滞阻尼器中不含有粘滞材料的缸体内填充惰性气体，惰性气体与缸体内壁串联，减小活塞对阻尼器的冲击力，但惰性气体对阻尼器的密封要求较高，且填充工序复杂，经济效果不理想。此外，传统粘滞阻尼器为速度依赖型阻尼器，在外部激励的速度较低时，其耗能能力略有不足。
发明内容：
为解决上述背景技术中提及的问题，本发明的目的在于提供基于金属橡胶的粘滞阻尼器和基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器。
基于金属橡胶的粘滞阻尼器，包括第一连接件、活塞杆、左端盖、第一阻尼缸体、第一活塞、右端盖、第二活塞、两个金属橡胶圈、第二连接件和第二阻尼缸体；
所述的第一阻尼缸体为两端开口的圆筒状结构，左端盖固装在第一阻尼缸体的左端口，右端盖固装在第一阻尼缸体内，左端盖与右端盖将第一阻尼缸体密封；
所述的第二阻尼缸体为一端开口的圆桶状结构，第二阻尼缸体的开口端从第一阻尼缸体的右端口伸入到第一阻尼缸体内，并固装在右端盖上，第二阻尼缸体的封闭端的外壁与第二连接件固连，所述的第二阻尼缸体内左右两端各设置一个金属橡胶圈，金属橡胶圈的外壁与第二阻尼缸体的内壁固接，所述的第二活塞处于两个金属橡胶圈之间，且第二活塞活动连接在第二阻尼缸体内，并将第二阻尼缸体的内腔分为第三腔体和第四腔体；
所述的活塞杆的一端与第一连接件固连，活塞杆的另一端依次穿过第一阻尼缸体上的左端盖与右端盖，并伸入到第二阻尼缸体内，穿过第二阻尼缸体内左端的金属橡胶圈与第二活塞固连；
所述的第一活塞处于第一阻尼缸体内，并套装在活塞杆上，第一活塞将第一阻尼缸体的内腔分为第一阻尼腔体和第二阻尼腔体；所述的第一阻尼腔体和第二阻尼腔体内填充有机硅油。
进一步地，所述的第一活塞的外径小于第一阻尼缸体的内径，第一活塞的外壁与第一阻尼缸体的内壁之间留有间隙，形成有机硅油流通的流道。
进一步地，所述的第一活塞到左端盖的初始距离、第一活塞到右端盖的初始距离、第二活塞到右端盖的初始距离和第二活塞到第二阻尼缸体右侧内壁的初始距离均相等。
基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器，包括第一连接件、活塞杆、左端盖、第一阻尼缸体、第一活塞、第二阻尼缸体、第二活塞、右端盖、四个挡块、两根形状记忆合金丝、第二连接件和两组形状记忆合金丝的固定机构；
所述的第一阻尼缸体为两端开口的圆筒状结构，左端盖固装在第一阻尼缸体的左端口，右端盖固装在第一阻尼缸体内，左端盖与右端盖将第一阻尼缸体密封；
所述的第二阻尼缸体为一端开口的圆桶状结构，第二阻尼缸体的开口端从第一阻尼缸体的右端口伸入到第一阻尼缸体内，并固装在右端盖上，第二阻尼缸体的封闭端的外壁与第二连接件固连；
所述的活塞杆的一端与第一连接件固连，活塞杆的另一端依次穿过第一阻尼缸体上的左端盖与右端盖，并伸入到第二阻尼缸体内与第二活塞固连；
所述的四个挡块分为两组，每组中的两个挡块上下相对设置并分别固装在第二阻尼缸体的内壁上，每组中的两个挡块之间形成第二活塞的滑道，两组挡块间隔设置在第二阻尼缸体的中间位置，第二活塞处于两组挡块之间；
所述的第二活塞上沿其轴线方向开有两个穿线孔，两个穿线孔上下相对设置；第二活塞的每个穿线孔中插装有一根形状记忆合金丝，形状记忆合金丝的两端分别穿过与其相邻的每组挡块中两个挡块所形成的滑道，并通过形状记忆合金丝的固定机构拉直和支撑向第二阻尼缸体的两端延伸，所述的形状记忆合金丝在第二活塞朝向第二阻尼缸体左右两侧运动一定距离时，形状记忆合金丝会被拉伸；
所述的第一活塞处于第一阻尼缸体内，并套装在活塞杆上，第一活塞将第一阻尼缸体的内腔分为第一阻尼腔体和第二阻尼腔体，所述的第一阻尼腔体和第二阻尼腔体内填充有机硅油。
进一步地，所述的每组形状记忆合金丝的固定机构包括两个支撑件、两个阻挡块和两个锁紧件；所述的第二活塞的两侧各设置一个支撑件和一个阻挡块，所述的支撑件的一端垂直连接在第二活塞上，支撑件的另一端与阻挡块的一侧端面抵接；
所述的支撑件为长方形块体，沿着支撑件的长度方向在支撑件的中心位置开有通孔，所述的阻挡块为长方形块体，在阻挡块的偏心位置处开有通孔，所述的阻挡块的通孔、支撑件上的通孔与第二活塞上的穿线孔相通，所述的形状记忆合金丝的两端依次穿过两侧的支撑件上的通孔和阻挡块上的通孔，并分别通过锁紧件进行锚固，即形状记忆合金丝的左端穿过其左侧的支撑件上的通孔和阻挡块上的通孔，并通过锁紧件进行锚固；形状记忆合金丝的右端穿过其右侧的支撑件上的通孔和阻挡块上的通孔，并通过锁紧件进行锚固。
进一步地，所述的第二活塞的外径小于每组挡块中的两个挡块之间的间距。
进一步地，所述的阻挡块与第二阻尼缸体内壁之间的间距小于挡块的高度。
进一步地，所述的第二阻尼缸体内腔的长度大于第一阻尼缸体内腔的长度；设两个挡块分别与其相近的阻挡块之间的初始间距为L1,设第一活塞到左端盖的初始距离、第一活塞到右端盖的初始距离、右侧的锁紧件到第二阻尼缸体内壁的初始距离和左侧的锁紧件到右端盖的初始距离均为L，其中L1＜L。
进一步地，所述的第一活塞的外径小于第一阻尼缸体的内径，第一活塞的外壁与第一阻尼缸体的内壁之间留有间隙，形成有机硅油流通的流道。
进一步地，所述的第一活塞与第一阻尼缸体的内壁为滑动连接，所述的第一活塞上开有小孔。
进一步地，所述的四个挡块通过穿孔塞焊固定于第二阻尼缸体的腔体内壁上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明中的两种粘滞阻尼器均具有两级耗能结构，即利用摩擦耗能的一级粘滞阻尼器与利用变形耗能的二级耗能机构。传统液体粘滞阻尼器达到所允许的极限位移时，缸体内壁因受到活塞冲击而被激活。缸体内壁可看作一个大刚度的弹簧单元，与一级耗能的粘滞阻尼单元并联，导致粘滞阻尼器在极限位移下两端的荷载大幅度增加。本申请设置的二级耗能机构(金属橡胶或形状记忆合金)与缸体内壁为串联关系，串联后的刚度远小于原缸体内壁的刚度，因此在极限位移下可显著降低活塞对缸体内壁的冲击力，保证了本申请中的粘滞阻尼器在极端荷载作用下不会被破坏，使得一级耗能的粘滞阻尼器持续为结构发挥耗能作用。同时这两种二级耗能机构与传统液体粘滞阻尼器对比，使得粘滞阻尼器在低速脉冲下的耗能能力更强；可以很好地解决现有的传统粘滞阻尼器在极限位移下因活塞冲击缸体内壁而导致粘滞阻尼器失效和在低速脉冲作用下粘滞阻尼器耗能能力不足的问题。
本申请中的二级耗能机构所采用的形式分别为金属橡胶圈变形耗能和形状记忆合金丝变形耗能，这两种结构形式均具有一定的可回复和耗能的作用，同时也存在不同优势；
对于基于金属橡胶的粘滞阻尼器，其优势在于：
一、金属橡胶具有很好的弹性性能，可回复变形大，性能十分稳定；
二、阻尼器构造简单、耐疲劳性强、造价低廉且易于安装；
对于基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器，其优势在于：
一、形状记忆合金的超弹性特性使该阻尼器兼具一定的自复位功能，在外力荷载除去后形状记忆合金丝会自动恢复到初始状态，不留残余变形；
二、该阻尼器构造简单且易于安装，具有高阻尼性、耐腐蚀性、耐疲劳性等优势。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为基于金属橡胶的粘滞阻尼器的结构示意图；图中，1-第一连接件；2-活塞杆；3-左端盖；4-第一阻尼腔体；5-第一阻尼缸体；6-第一活塞；7-第二阻尼腔体；8-右端盖；9-第三腔体；10-第二活塞；11-第四腔体；12-金属橡胶圈；13-第二连接件；14-第二阻尼缸体。
图2为基于金属橡胶的粘滞阻尼器的尺寸示意图；
图3为基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器的整体结构示意图；
图4为基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器的局部放大图；
图5为基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器的形状记忆合金丝的固定机构的结构示意图；
图6为基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器的尺寸示意图；
图7为典型的形状记忆合金应力-应变关系图。
图中，1-第一连接件；2-活塞杆；3-左端盖；4-第一阻尼腔体；5-第一阻尼缸体；6-第一活塞；7-第二阻尼腔体；8-右端盖；10-第二活塞；14-第二阻尼缸体；15-支撑件；16-阻挡块；17-锁紧件；18-第二连接件；19-形状记忆合金丝；20-挡块。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
具体实施方式一：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式中的基于金属橡胶的粘滞阻尼器包括第一连接件1、活塞杆2、左端盖3、第一阻尼缸体5、第一活塞6、右端盖8、第二活塞10、两个金属橡胶圈12、第二连接件13和第二阻尼缸体14；
所述的第一阻尼缸体5为两端开口的圆筒状结构，左端盖3固装在第一阻尼缸体5的左端口，右端盖8固装在第一阻尼缸体5内，左端盖3与右端盖8将第一阻尼缸体5密封；
所述的第二阻尼缸体14为一端开口的圆桶状结构，第二阻尼缸体14的开口端从第一阻尼缸体5的右端口伸入到第一阻尼缸体5内，并固装在右端盖8上，第二阻尼缸体14的封闭端的外壁与第二连接件13固连，所述的第二阻尼缸体14内左右两端各设置一个金属橡胶圈12，金属橡胶圈12的外壁与第二阻尼缸体14的内壁固接，所述的第二活塞10处于两个金属橡胶圈12之间，且第二活塞10活动连接在第二阻尼缸体14内，并将第二阻尼缸体14的内腔分为第三腔体9和第四腔体11；
所述的活塞杆2的一端与第一连接件1固连，活塞杆2的另一端依次穿过第一阻尼缸体5上的左端盖3与右端盖8，并伸入到第二阻尼缸体14内，穿过第二阻尼缸体14内左端的金属橡胶圈12与第二活塞10固连；
所述的第一活塞6处于第一阻尼缸体5内，并套装在活塞杆2上，第一活塞6将第一阻尼缸体5的内腔分为第一阻尼腔体4和第二阻尼腔体7；
本实施方式所述的第一阻尼腔体4和第二阻尼腔体7内填充有机硅油；
如图2所示，所述的第一活塞6到左端盖3的初始距离、第一活塞6到右端盖8的初始距离、第二活塞10到右端盖8的初始距离和第二活塞10到第二阻尼缸体14右侧内壁的初始距离均相等，并设为L1。
所述的第二活塞10到两个金属橡胶圈12的距离相等。
本实施方式中的活塞位移可通过位移传感器测试、监测，并可通过对时间一次求导得到速度、二次求导得到加速度，评估阻尼器运动量。
本实施方式中的一级耗能机构采用的是传统的粘滞阻尼器，而二级耗能机构采用的是金属橡胶圈，金属橡胶圈的设置保证了本申请中的粘滞阻尼器在极端荷载作用下不会被破坏。如图2所示，当第一活塞6的位移的绝对值小于L1时，金属橡胶圈不参与工作，仅粘滞阻尼器耗能。当第一活塞6的位移的绝对值大于等于L1时，第二阻尼缸体内的金属橡胶圈与第二阻尼缸体内壁受到第二活塞的压力，金属橡胶圈与第二阻尼缸体内壁形成串联关系，二者串联后的刚度远小于原缸体内壁刚度。当第一活塞和第二活塞的位移达到极限位移L时，使得粘滞阻尼器不会因第一活塞冲击缸体内壁引起阻尼力大幅度增加而失效。同时，金属橡胶圈具有变刚度特征，其初始刚度较小，并不会明显影响粘滞阻尼器耗能，在活塞位移接近极限位移L时，金属橡胶圈刚度急剧增加(第一活塞即将达到极限位移)，也可以有效的限制第一活塞的运动，进而解决第一活塞因达到位移极限而引起的粘滞阻尼器被破坏的问题，使得粘滞阻尼器可以持续为结构发挥耗能作用；而且本实施方式中的金属橡胶圈本身具备一定的可回复和耗能的作用，存在二级耗能的作用，与传统液体粘滞阻尼器相比，本实施例中的阻尼器在低速脉冲下耗能能力更强。
在一些实施例中，为了实现粘滞阻尼器产生摩擦耗能，所述的第一活塞6的外径小于第一阻尼缸体5的内径，第一活塞6的外壁与第一阻尼缸体5的内壁之间留有间隙，形成有机硅油流通的流道；在第一活塞往复运动过程中，有机硅油从一个腔体内通过流道进入另一个腔体中，整个过程产生摩擦耗能。
在一些实施例中，为了实现粘滞阻尼器产生摩擦耗能，所述的第一活塞6与第一阻尼缸体5的内壁为滑动连接，所述的第一活塞6上开有小孔，在第一活塞进行往复运动过程中，有机硅油从一个腔体内通过第一活塞6上的小孔进入另一个腔体中，整个过程产生摩擦耗能。
本发明所述基于金属橡胶的粘滞阻尼器的阻尼原理如下：
耗能粘滞阻尼恢复力F1＝C·Vα·sgn(V)；
式中，C为阻尼系数(kN/(mm/s))，V为活塞速度，ɑ为速度指数，通常取0.01～1之间，当ɑ＝1时为线性阻尼，当ɑ<1时为非线性阻尼。sgn为符号函数，当V>0时，sgn(V)＝1；当V＝0时，sgn(V)＝0；当V<0时，sgn(V)＝-1；
金属橡胶圈与缸体内壁串联单元所提供的恢复力F2＝K串联·u串联；
K串联＝K金属橡胶·K缸体内壁/(K金属橡胶+K缸体内壁)；
u串联＝u-L1·sgn(V)；
式中，K串联表示金属橡胶圈与缸体内壁串联后的总刚度，u串联表示金属橡胶圈与缸体内壁串联后的总位移，K金属橡胶表示金属橡胶圈的刚度，K缸体内壁表示缸体内壁的刚度，u表示活塞的位移，L1表示活塞处于中位时与金属橡胶圈的距离，sgn是符号函数。当阻尼器的第二活塞与金属橡胶圈接触前(即活塞位移的绝对值小于L1)，粘滞阻尼器的力F＝F1。当第二活塞与金属橡胶圈接触后，粘滞阻尼器的力F＝F1+F2。由公式可知，K串联远小于原始的K缸体内壁，因此当活塞达到极限位移L时，设置金属橡胶圈可以显著降低活塞对缸体内壁的冲击力。
具体实施方式二：结合图3、图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式中的基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器包括第一连接件1、活塞杆2、左端盖3、第一阻尼缸体5、第一活塞6、第二阻尼缸体14、第二活塞10、右端盖8、四个挡块20、两根形状记忆合金丝19、第二连接件18和两组形状记忆合金丝的固定机构；
所述的第一阻尼缸体5为两端开口的圆筒状结构，左端盖3固装在第一阻尼缸体5的左端口，右端盖8固装在第一阻尼缸体5内，左端盖3与右端盖8将第一阻尼缸体5密封；
所述的第二阻尼缸体14为一端开口的圆桶状结构，第二阻尼缸体14的开口端从第一阻尼缸体5的右端口伸入到第一阻尼缸体5内，并固装在右端盖8上，第二阻尼缸体14的封闭端的外壁与第二连接件18固连；
所述的活塞杆2的一端与第一连接件1固连，活塞杆2的另一端依次穿过第一阻尼缸体5上的左端盖3与右端盖8，并伸入到第二阻尼缸体14内与第二活塞10固连；
所述的四个挡块20分为两组，每组中的两个挡块20上下相对设置并分别固装在第二阻尼缸体14的内壁上，每组中的两个挡块20之间形成第二活塞10的滑道，两组挡块20间隔设置在第二阻尼缸体14的中间位置，第二活塞10处于两组挡块20之间；
所述的第二活塞10上沿其轴线方向开有两个穿线孔，两个穿线孔上下相对设置；第二活塞10的每个穿线孔中插装有一根形状记忆合金丝19，形状记忆合金丝19的两端分别穿过与其相邻的每组挡块中两个挡块20所形成的滑道，并通过形状记忆合金丝的固定机构拉直和支撑向第二阻尼缸体14的两端延伸，所述的形状记忆合金丝在第二活塞10朝向第二阻尼缸体左右两侧运动一定距离时，形状记忆合金丝会被拉伸；
所述的第一活塞6处于第一阻尼缸体5内，并套装在活塞杆2上，第一活塞6将第一阻尼缸体5的内腔分为第一阻尼腔体4和第二阻尼腔体7，所述的第一阻尼腔体4和第二阻尼腔体7内填充有机硅油。
本实施方式中，采用的是两级能耗阻尼器(粘滞阻尼器和形状记忆合金丝)，来达到地震过程中消耗地震能量的目的，二级阻尼器件采用的是完全处于奥氏体相的形状记忆合金丝，奥氏体相的形状记忆合金在受拉时的计算模型具有“旗帜型”特征，当外力去除后就会恢复到变形前的状态，这一现象称为超弹性，同时具有一定的耗能能力和良好的耐久性和耐腐蚀性。典型的形状记忆合金应力-应变关系(如图7所示)，在应变较小的情况下，形状记忆合金表现出线弹性特征，特点是刚度较大且为线弹性，可为阻尼器提供较高的阻尼力。在应变超过线弹性范围后，阻尼器表现出超弹性耗能特征，即在外荷载除去后形状记忆合金恢复初始状态，没有残余变形的同时耗散能量。
本实施方式中的一级耗能机构采用的是传统的粘滞阻尼器，而二级耗能机构采用的是形状记忆合金丝，形状记忆合金丝的设置保证了本申请中的粘滞阻尼器在极端荷载作用下不会被破坏。当活塞位移的绝对值小于L1时，形状记忆合金丝不参与工作，仅粘滞阻尼器耗能。当活塞位移的绝对值大于等于L1时，第二阻尼缸体内的形状记忆合金丝受拉，阻尼器附加荷载。当活塞位移的绝对值等于L时，形状记忆合金丝及其固定机构与缸体内壁接触，形状记忆合金丝与缸体内壁形成串联关系，二者串联后的刚度远小于缸体内壁刚度(忽略固定机构刚度的影响)，使得粘滞阻尼器不会因活塞冲击缸体内壁引起阻尼力大幅度增加而失效。同时，形状记忆合金丝具有变刚度特征，其初始刚度较小，并不会明显影响粘滞阻尼器耗能，在活塞位移的绝对值接近极限位移L时，形状记忆合金丝刚度急剧增加(第一活塞即将达到极限位移)，也可以有效的限制第一活塞的运动，进而解决第一活塞因达到位移极限而引起的粘滞阻尼器被破坏的问题，使得粘滞阻尼器可以持续为结构发挥耗能作用；而且本实施方式中的形状记忆合金丝本身具备一定的可恢复和耗能的作用，存在二级耗能的作用，与传统液体粘滞阻尼器相比，本实施例中的阻尼器在低速脉冲下耗能能力更强。
在一些实施例中，所述的每组形状记忆合金丝的固定机构包括两个支撑件15、两个阻挡块16和两个锁紧件17；所述的第二活塞10的两侧各设置一个支撑件15和一个阻挡块16，所述的支撑件15的一端垂直连接在第二活塞10上，支撑件15的另一端与阻挡块16的一侧端面抵接(仅接触，并不固连)；
所述的支撑件15为长方形块体，沿着支撑件15的长度方向在支撑件15的中心位置开有通孔，所述的阻挡块16为长方形块体，在阻挡块16的偏心位置处开有通孔，所述的阻挡块16的通孔、支撑件15上的通孔与第二活塞10上的穿线孔相通，所述的形状记忆合金丝19的两端依次穿过两侧的支撑件15上的通孔和阻挡块16上的通孔，并分别通过锁紧件17进行锚固，即形状记忆合金丝19的左端穿过其左侧的支撑件15上的通孔和阻挡块16上的通孔，并通过锁紧件17进行锚固；形状记忆合金丝19的右端穿过其右侧的支撑件15上的通孔和阻挡块16上的通孔，并通过锁紧件17进行锚固。
本实施方式中，支撑件15与第二活塞固连，对形状记忆合金丝起到支撑的作用，而阻挡块不与支撑件固连，实际上阻挡块相当于套在形状记忆合金丝上，受到形状记忆合金丝的支撑，当阻挡块与挡块接触时，阻挡块此时的位置不变，阻挡块与支撑件之间产生间隙，形状记忆合金丝被拉伸变形，从而产生耗能作用。
如图4所示，设挡块20与阻挡块16之间的初始间距为L1，当第一阻尼缸体5中的第一活塞6朝向第一阻尼缸体两端移动的过程中，如果第一活塞6的位移量小于L1，那么第二阻尼缸体中的形状记忆合金丝不会被拉伸产生变形，进而不会产生耗能，仅第一阻尼缸体5内的有机硅油在第一活塞6的作用下产生耗能，即第一活塞发生往复运动时，第一腔体和第二腔体内的有机硅油在两腔体间流动，通过摩擦耗散地震能量；如果第一活塞6的位移量大于或等于L1，粘滞阻尼器与形状记忆合金丝同时工作，假设第二活塞向右侧移动，则位于第二活塞10左端的阻挡块受到左侧挡块的限制不能运动，因此，形状记忆合金丝被拉伸；同理，当第二活塞向左侧运动时，位于第二活塞10右端的阻挡块受到右侧挡块的限制不能运动，在此过程中，第一腔体和第二腔体内的有机硅油始终在通过摩擦进行耗能。当活塞的位移达到极限位移L时(如图6所示)，形状记忆合金丝及其固定机构与缸体内壁接触，形状记忆合金丝与缸体内壁形成串联关系(忽略固定机构刚度的影响)，二者串联后的刚度远小于缸体内壁刚度，使得粘滞阻尼器不会因活塞冲击缸体内壁引起阻尼力大幅度增加而失效。上述过程在结构振动过程中周而复始，形状记忆合金丝被反复拉伸，通过形状记忆合金丝的超弹性滞回特征耗散结构中输入的能量，可以弥补外部激励速度较低时粘滞阻尼器耗能的不足，减小结构在地震下的反应，同时降低粘滞阻尼器达到位移极限时对阻尼器内部的冲击力，保护粘滞阻尼器不因较大的冲击力而造成破坏。
在一些实施例中，所述的第二活塞10的外径小于每组挡块中的两个挡块20之间的间距。
本实施方式中，所述的第二活塞10沿着两组挡块之间所留有的通道左右滑动，进而带动第二活塞上的形状记忆合金丝固定机构沿着第二缸体的轴线方向运动，从而实现粘滞阻尼器在运动过程中形状记忆合金丝产生变形，实现保护粘滞阻尼器和耗能的作用。
在一些实施例中，所述的阻挡块16与第二阻尼缸体内壁之间的间距小于挡块20的高度，以实现第二活塞两侧的挡块对形状记忆合金丝的固定机构中的阻挡块起到阻挡的作用，进而实现形状记忆合金丝被拉伸的目的。
在一些实施例中，所述的第二阻尼缸体14内腔的长度大于第一阻尼缸体5内腔的长；设两个挡块分别与其相近的阻挡块之间的初始间距为L1,设第一活塞6到左端盖3的初始距离、第一活塞6到右端盖8的初始距离、右侧的锁紧件到第二阻尼缸体内壁的初始距离和左侧的锁紧件到右端盖的初始距离均为L，其中L1＜L。
本实施方式中，活塞位移可通过位移传感器测试、监测，并可通过对时间一次求导得到速度、二次求导得到加速度，评估阻尼器运动量。
在一些实施例中，所述的第一活塞6的外径小于第一阻尼缸体5的内径，第一活塞6的外壁与第一阻尼缸体5的内壁之间留有间隙，形成有机硅油流通的流道。在第一活塞往复运动过程中，有机硅油从一个腔体内通过流道进入另一个腔体中，整个过程产生摩擦耗能。
在一些实施例中，所述的第一活塞6与第一阻尼缸体5的内壁为滑动连接，所述的第一活塞6上开有小孔。在第一活塞进行往复运动过程中，有机硅油从一个腔体内通过第一活塞6上的小孔进入另一个腔体中，整个过程产生摩擦耗能。
在一些实施例中，所述的四个挡块20通过穿孔塞焊固定于第二阻尼缸体14的腔体内壁上。
本发明所述基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器的阻尼原理如下：
耗能粘滞阻尼恢复力F1＝C·Vα·sgn(V)；
式中，C为阻尼系数(kN/(mm/s))，V为活塞速度，ɑ为速度指数，通常取0.01～1之间，当ɑ＝1时为线性阻尼，当ɑ<1时为非线性阻尼。sgn为符号函数，当V>0时，sgn(V)＝1；当V＝0时，sgn(V)＝0；当V<0时，sgn(V)＝-1；
当活塞位移的绝对值小于L1时，粘滞阻尼器的力F＝F1；
当活塞位移的绝对值大于等于L1且小于L时，形状记忆合金丝受拉提供的力F2＝K形状记忆合金·u形状记忆合金，u形状记忆合金＝u-L1·sgn(V)，粘滞阻尼器的力F＝F1+F2；
式中，K形状记忆合金表示形状记忆合金的刚度，u形状记忆合金表示形状记忆合金丝长度的改变量，u表示活塞的位移，L1表示活塞处于中位时挡块与阻挡块的距离，sgn是符号函数，V为活塞速度。
当活塞位移的绝对值等于L时，形状记忆合金丝与缸体内壁串联单元提供的恢复力F2＝K串联·u串联，阻尼器两端力＝F1+F2；
K串联＝K形状记忆合金·K缸体内壁/(K形状记忆合金+K缸体内壁)；
u串联＝u-L1·sgn(V)；
式中，K串联表示形状记忆合金与缸体内壁串联后的总刚度，u串联表示形状记忆合金与缸体内壁串联后的总位移，K形状记忆合金表示形状记忆合金的刚度，K缸体内壁表示缸体内壁的刚度，u表示活塞的位移，L1表示活塞处于中位时挡块与阻挡块的距离，sgn是符号函数。由公式可知，K串联远小于原始的K缸体内壁，因此当活塞达到极限位移时，设置形状记忆合金可以显著降低活塞对缸体内壁的冲击力。
因此本发明耗能机制由粘滞阻尼器摩擦耗能和形状记忆合金丝的超弹性耗能两部分组成，相比于传统液体粘滞阻尼器，耗能能力更强。同时本发明具有以下优点：
当阻尼器位移较小时，形状记忆合金丝不发挥作用，阻尼器如传统阻尼器一样依靠摩擦耗能。当阻尼器发生较大位移时，形状记忆合金丝被拉伸，表现出超弹性特征而耗散地震能量，同时形状记忆合金丝可以减弱活塞的轴向力，解决因活塞达到极限位移状态而引起的粘滞阻尼器破坏的问题，使其持续为结构发挥耗能作用；形状记忆合金的超弹性特性使该阻尼器兼具一定的自复位功能，在外力荷载除去后形状记忆合金丝会自动恢复到初始状态，不留残余变形；该阻尼器构造简单且易于安装，具有高阻尼性、耐腐蚀性、耐疲劳性等优势。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.基于金属橡胶的粘滞阻尼器，其特征在于：包括第一连接件(1)、活塞杆(2)、左端盖(3)、第一阻尼缸体(5)、第一活塞(6)、右端盖(8)、第二活塞(10)、两个金属橡胶圈(12)、第二连接件(13)和第二阻尼缸体(14)；
所述的第一阻尼缸体(5)为两端开口的圆筒状结构，左端盖(3)固装在第一阻尼缸体(5)的左端口，右端盖(8)固装在第一阻尼缸体(5)内，左端盖(3)与右端盖(8)将第一阻尼缸体(5)密封；
所述的第二阻尼缸体(14)为一端开口的圆桶状结构，第二阻尼缸体(14)的开口端从第一阻尼缸体(5)的右端口伸入到第一阻尼缸体(5)内，并固装在右端盖(8)上，第二阻尼缸体(14)的封闭端的外壁与第二连接件(13)固连，所述的第二阻尼缸体(14)内左右两端各设置一个金属橡胶圈(12)，金属橡胶圈(12)的外壁与第二阻尼缸体(14)的内壁固接，所述的第二活塞(10)处于两个金属橡胶圈(12)之间，且第二活塞(10)活动连接在第二阻尼缸体(14)内，并将第二阻尼缸体(14)的内腔分为第三腔体(9和第四腔体(11)；
所述的活塞杆(2)的一端与第一连接件(1)固连，活塞杆(2)的另一端依次穿过第一阻尼缸体(5)上的左端盖(3)与右端盖(8)，并伸入到第二阻尼缸体(14)内，穿过第二阻尼缸体(14)内左端的金属橡胶圈(12)与第二活塞(10)固连；
所述的第一活塞(6)处于第一阻尼缸体(5)内，并套装在活塞杆(2)上，第一活塞(6)将第一阻尼缸体(5)的内腔分为第一阻尼腔体(4)和第二阻尼腔体(7)；所述的第一阻尼腔体(4)和第二阻尼腔体(7)内填充有机硅油。
2.根据权利要求1所述的基于金属橡胶的粘滞阻尼器，其特征在于：所述的第一活塞(6)的外径小于第一阻尼缸体(5)的内径，第一活塞(6)的外壁与第一阻尼缸体(5)的内壁之间留有间隙，形成有机硅油流通的流道。
3.根据权利要求2所述的基于金属橡胶的粘滞阻尼器，其特征在于：所述的第一活塞(6)到左端盖(3)的初始距离、第一活塞(6)到右端盖(8)的初始距离、第二活塞(10)到右端盖(8)的初始距离和第二活塞(10)到第二阻尼缸体(14)右侧内壁的初始距离均相等。
4.基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器，其特征在于：包括第一连接件(1)、活塞杆(2)、左端盖(3)、第一阻尼缸体(5)、第一活塞(6)、第二阻尼缸体(14)、第二活塞(10)、右端盖(8)、四个挡块(20)、两根形状记忆合金丝(19)、第二连接件(18)和两组形状记忆合金丝的固定机构；
所述的第一阻尼缸体(5)为两端开口的圆筒状结构，左端盖(3)固装在第一阻尼缸体(5)的左端口，右端盖(8)固装在第一阻尼缸体(5)内，左端盖(3)与右端盖(8)将第一阻尼缸体(5)密封；
所述的第二阻尼缸体(14)为一端开口的圆桶状结构，第二阻尼缸体(14)的开口端从第一阻尼缸体(5)的右端口伸入到第一阻尼缸体(5)内，并固装在右端盖(8)上，第二阻尼缸体(14)的封闭端的外壁与第二连接件(18)固连；
所述的活塞杆(2)的一端与第一连接件(1)固连，活塞杆(2)的另一端依次穿过第一阻尼缸体(5)上的左端盖(3)与右端盖(8)，并伸入到第二阻尼缸体(14)内与第二活塞(10)固连；
所述的四个挡块(20)分为两组，每组中的两个挡块(20)上下相对设置并分别固装在第二阻尼缸体(14)的内壁上，每组中的两个挡块(20)之间形成第二活塞(10)的滑道，两组挡块(20)间隔设置在第二阻尼缸体(14)的中间位置，第二活塞(10)处于两组挡块(20)之间；
所述的第二活塞(10)上沿其轴线方向开有两个穿线孔，两个穿线孔上下相对设置；第二活塞(10)的每个穿线孔中插装有一根形状记忆合金丝(19)，形状记忆合金丝(19)的两端分别穿过与其相邻的每组挡块中两个挡块(20)所形成的滑道，并通过形状记忆合金丝的固定机构拉直和支撑向第二阻尼缸体(14)的两端延伸；
所述的第一活塞(6)处于第一阻尼缸体(5)内，并套装在活塞杆(2)上，第一活塞(6)将第一阻尼缸体(5)的内腔分为第一阻尼腔体(4)和第二阻尼腔体(7)，所述的第一阻尼腔体(4)和第二阻尼腔体(7)内填充有机硅油。
5.根据权利要求4所述的基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器，其特征在于：所述的每组形状记忆合金丝的固定机构包括两个支撑件(15)、两个阻挡块(16)和两个锁紧件(17)；所述的第二活塞(10)的两侧各设置一个支撑件(15)和一个阻挡块(16)，所述的支撑件(15)的一端垂直连接在第二活塞(10)上，支撑件(15)的另一端与阻挡块(16)的一侧端面抵接；
所述的支撑件(15)为长方形块体，沿着支撑件(15)的长度方向在支撑件(15)的中心位置开有通孔，所述的阻挡块(16)为长方形块体，在阻挡块(16)的偏心位置处开有通孔，所述的阻挡块(16)的通孔、支撑件(15)上的通孔与第二活塞(10)上的穿线孔相通，所述的形状记忆合金丝(19)的两端依次穿过其两侧的支撑件(15)上的通孔和阻挡块(16)上的通孔，并分别通过锁紧件(17)进行锚固。
6.根据权利要求5所述的基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器，其特征在于：所述的第二活塞(10)的外径小于每组挡块中的两个挡块(20)之间的间距；所述的阻挡块(16)与第二阻尼缸体内壁之间的间距小于挡块(20)的高度。
7.根据权利要求6所述的基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器，其特征在于：所述的第二阻尼缸体(14)内腔的长度大于第一阻尼缸体(5)内腔的长度；设两个挡块分别与其相近的阻挡块之间的初始间距为L1,设第一活塞(6)到左端盖(3)的初始距离、第一活塞(6)到右端盖(8)的初始距离、右侧的锁紧件到第二阻尼缸体内壁的初始距离和左侧的锁紧件到右端盖的初始距离均为L，其中L1＜L。
8.根据权利要求7所述的基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器，其特征在于：所述的第一活塞(6)的外径小于第一阻尼缸体(5)的内径，第一活塞(6)的外壁与第一阻尼缸体(5)的内壁之间形成有机硅油流通的流道。
9.根据权利要求7所述的基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器，其特征在于：所述的第一活塞(6)与第一阻尼缸体(5)的内壁为滑动连接，所述的第一活塞(6)上开有小孔。
10.根据权利要求8或9所述的基于形状记忆合金丝的粘滞阻尼器，其特征在于：所述的四个挡块(20)通过穿孔塞焊固定于第二阻尼缸体(14)的腔体内壁上。
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