CN114645582B - 基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，属于结构振动与控制领域。包括左连接板、开槽长方体、限位滑块、传动杆a、SMA丝束、右连接杆以及各种档杆。所述的变刚度自复位阻尼器，无论受拉还是受压，SMA丝束均处于拉伸状态，材料利用效率高；SMA丝束的左端和右端由于挡杆的约束呈等腰三角形变形状态，阻尼器的轴力放大系数为(为SMA丝束的直接受力段与阻尼器轴向的夹角)，夹角随着阻尼器轴向变形增加而减小，阻尼器的轴力放大系数增加，从而实现自复位阻尼器变刚度效果。通过调整两个在阻尼器轴向垂直方向的档杆的距离，可以灵活调节自复位阻尼器的刚度；阻尼器为装配式结构，容易安装和维修，有广泛的应用前景。

Description

基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器

技术领域

本发明涉及一种阻尼器，特别是一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，属于结构振动与控制技术领域。

背景技术

形状记忆合金（SMA）是一种新型功能材料，因其良好的耗能特性和超弹性特性在结构振动控制领域得到了广泛的应用。形状记忆合金与其他功能材料通过不同的构造方式可以实现不同的抗震效果，例如，将形状记忆合金与碟簧、弹簧等材料组合，可以制造出自复位能力更强的阻尼器；将形状记忆合金与摩擦材料、金属支撑等耗能材料组合，可以制造出耗能能力更强的阻尼器。此外，将形状记忆合金通过特殊的机械构造方式可以突破丝材只能单向受拉的缺点，实现阻尼器轴向拉压均使用同一组SMA丝材的高效阻尼器。

现有的SMA阻尼器多采用形状记忆合金丝束轴向直接受力的构造方式，阻尼器的刚度为记忆合金丝束的轴向刚度与其他材料刚度的线性叠加，直接依赖于SMA材料的原始轴向刚度，因此，将形状记忆合金与其他材料组合或者特殊构造方式设计的阻尼器的轴向刚度不能突破形状记忆合金的轴向刚度限制，这意味着，现有的形状记忆合金阻尼器的使用场景是受限的，对实现变刚度的特殊功能能力不足，不能满足更复杂的抗震需求。

发明内容

针对现有的形状记忆合金阻尼器直接依赖于SMA材料的原始轴向刚度，造成的使用场景受限的问题，通过特殊的构造形式改变SMA丝束的轴向直接受力方式，提出了一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，其结构简单、维修方便。

为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：

一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，所述的变刚度自复位阻尼器包括开槽长方体、限位滑块、档杆a、档杆b、限位档杆、传动杆a、SMA丝束、档杆c、档杆d以及右连接杆；

所述开槽长方体侧面设置有水平通槽，中央设置有竖直通槽；

所述开槽长方体右端插入有右连接杆，所述右连接杆伸入水平通槽和竖直通槽十字交叉位置处，且右连接杆的左端还焊接有档杆d；此外，所述开槽长方体内的水平通槽和竖直通槽十字交叉位置处还设置有传动杆a，所述传动杆a与右连接杆位于同一轴线上，且所述传动杆a的左右两端分别焊接有档杆b和档杆c；同时，档杆b的左侧还设置有档杆a；所述档杆a、档杆b、档杆c、档杆d分别竖向设置在所述竖直通槽内，且档杆a和档杆b的端部被同时焊接在一限位滑块上，且档杆c和档杆d的端部被同时焊接在另一限位滑块上；限位滑块设置在开槽长方体外表面，可与所述开槽长方体发生相对滑动；

所述限位档杆对称布置在传动杆a两侧的水平通槽内；所述水平通槽还设置有SMA丝束，所述SMA丝束围绕四个限位档杆布置在开槽长方体内，并穿过档杆a和档杆b之间的空隙以及档杆c和档杆d之间的空隙。

进一步地，所述档杆a和档杆b、档杆c和档杆d之间的空隙等于SMA丝束的直径。

进一步地，所述SMA丝束与档杆a、档杆b、限位档杆、档杆c和档杆d之间，以及开槽长方体与限位滑块、档杆a、档杆b、档杆c、档杆d和右连接杆之间均应涂抹润滑油，减小摩擦阻力。

进一步地，所述变刚度自复位阻尼器还包括左连接板，所述左连接板和右连接杆与结构之间通过铰接方式连接，保证自复位阻尼器轴向受力。

进一步地，所述左连接板为一开孔金属板，右侧与开槽长方体通过焊接方式固定。

进一步地，所述开槽长方体为金属板。

进一步地，所述限位档杆的两端与开槽长方体焊接或者螺纹连接。

进一步地，所述限位档杆与档杆a、档杆b、档杆c和档杆d平行布置。

进一步地，所述右连接杆通过开槽长方体右侧的圆形开孔伸入所述开槽长方体内。

进一步地，所述传动杆a两侧分布对称布置有两根限位档杆。

本发明的工作原理是：

当阻尼器受压时，与形状记忆合金丝接触的右侧挡杆会侧向推动丝束向左运动，SMA丝束产生拉伸变形，对右连接杆产生向右的恢复力，同理，当阻尼器受拉时，与形状记忆合金丝束接触的左侧挡杆会侧向推动丝束向右运动，SMA丝束也会产生拉伸变形，对右连接杆产生向左的恢复力，从而实现自复位效果。由于有设置两组挡杆同时侧向推动SMA丝束产生变形呈现等腰三角形，阻尼器的轴力放大系数为

，其中，/>

为SMA丝束的直接受力段与阻尼器轴向的夹角。阻尼器的有效恢复力应为SMA丝束的合力在阻尼器轴向的分量，即

，随着阻尼器轴向变形增加，SMA丝束与阻尼器轴向的夹角减小且变化率不断增大，因此阻尼器的有效恢复力/>

增速加快，实现刚度逐渐增加的变刚度效果。

本发明的有益效果在于：

1）本发明的基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，无论在受拉状态还是受压时，SMA丝束均处于受拉状态，材料利用效率高；

2）本发明的基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，SMA丝束的左端和右端由于挡杆的约束呈等腰三角形变形状态，夹角，即SMA丝束的直接受力段与阻尼器轴向的夹角，随着阻尼器轴向变形增加而减小，阻尼器的轴力放大系数增加，实现有效恢复力与位移非线性关系，达到变刚度的效果；

本发明的基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，沿着阻尼器轴向布置两个档杆，将SMA丝束在阻尼器轴向的有效分力放大倍 ；

本发明的基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，通过调整两个在阻尼器轴向垂直方向的档杆的距离，实现阻尼器刚度灵活调节；

本发明的基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，为装配式结构，容易安装和维修。

附图说明

图1为本发明的基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器的结构示意图。

图2为本发明的基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器的A-A剖面图。

图3为本发明的基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器的B-B剖面图。

图4为本发明的基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器工作变形图。

具体实施方式

为了使本发明的功能和特点更加清晰地表现出来，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。但是，本发明的实施方式并不仅限于下面描述的实施例。

图1、图2和图3为基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器的构造方式，图4为基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器的一个实施例。

如图1-4所示，本实施例的一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，变刚度自复位阻尼器包括左连接板1、开槽长方体2、限位滑块3、档杆a4、档杆b5、限位档杆6、传动杆a7、SMA丝束8、档杆c9、档杆d10以及右连接杆11，左连接板1为一开孔金属板，右侧与开槽长方体2通过焊接方式固定。左连接板1和右连接杆11与结构之间通过铰接方式连接，保证自复位阻尼器轴向受力。开槽长方体2为金属板，其侧面设置有水平通槽，中央设置有竖直通槽。开槽长方体2右端插入有右连接杆11，右连接杆11通过开槽长方体2右侧的圆形开孔伸入开槽长方体2内的水平通槽和竖直通槽十字交叉位置处，且右连接杆11的左端还焊接有档杆d10。此外，开槽长方体2内的水平通槽和竖直通槽十字交叉位置处还设置有传动杆a7，传动杆a7与右连接杆11位于同一轴线上，且传动杆a7的左右两端分别焊接有档杆b5和档杆c9。同时，档杆b5的左侧还设置有档杆a4。档杆a4、档杆b5、档杆c9、档杆d10分别竖向设置在竖直通槽内，即限位档杆6与档杆a4、档杆b5、档杆c9和档杆d10平行布置，且档杆a4和档杆b5的端部被同时焊接在一限位滑块3上，且档杆c9和档杆d10的端部被同时焊接在另一限位滑块3上。限位滑块3设置在开槽长方体2外表面，可与开槽长方体2发生相对滑动。限位档杆6对称布置在传动杆a7两侧的水平通槽内，限位档杆6的两端与开槽长方体2焊接。水平通槽还设置有SMA丝束8，SMA丝束8围绕四个限位档杆6布置在开槽长方体2内，并穿过档杆a4和档杆b5之间的空隙以及档杆c9和档杆d10之间的空隙。档杆a4和档杆b5、档杆c9和档杆d10之间的空隙等于SMA丝束8的直径。

本实施例中，SMA丝束8与档杆a4、档杆b5、限位档杆6、档杆c9和档杆d10之间，以及开槽长方体2与限位滑块3、档杆a4、档杆b5、档杆c9、档杆d10和右连接杆11之间均应涂抹润滑油，减小摩擦阻力。且传动杆a7两侧分布对称布置有两根限位档杆6。

当阻尼器两端发生相对运动时，SMA丝束均处于拉伸变形状态，材料利用效率高。设置两组挡杆同时推动SMA丝束变形，SMA丝束的变形被放大。当SMA丝束变形时，其对阻尼器的有效恢复力应为SMA丝束的合力在阻尼器轴向的分量，即

，/>

为SMA丝束的直接受力段与阻尼器轴向的夹角，随着阻尼器变形增加，SMA丝束的直接受力段与阻尼器轴向的夹角减小，实现阻尼器有效恢复力与轴向位移非线性关系，达到变刚度的效果。通过调整两个在阻尼器轴向垂直方向的档杆的距离，实现阻尼器刚度灵活调节。本发明的阻尼器为装配式构造，容易安装和维修。

以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，其特征在于：所述的变刚度自复位阻尼器包括开槽长方体（2）、限位滑块（3）、档杆a（4）、档杆b（5）、限位档杆（6）、传动杆a（7）、SMA丝束（8）、档杆c（9）、档杆d（10）以及右连接杆（11）；

所述开槽长方体（2）侧面设置有水平通槽，中央设置有竖直通槽；

所述开槽长方体（2）右端插入有右连接杆（11），所述右连接杆（11）伸入水平通槽和竖直通槽十字交叉位置处，且右连接杆（11）的左端还焊接有档杆d（10）；此外，所述开槽长方体（2）内的水平通槽和竖直通槽十字交叉位置处还设置有传动杆a（7），所述传动杆a（7）与右连接杆（11）位于同一轴线上，且所述传动杆a（7）的左右两端分别焊接有档杆b（5）和档杆c（9）；同时，档杆b（5）的左侧还设置有档杆a（4）；所述档杆a（4）、档杆b（5）、档杆c（9）、档杆d（10）分别竖向设置在所述竖直通槽内，且档杆a（4）和档杆b（5）的端部被同时焊接在一限位滑块（3）上，且档杆c（9）和档杆d（10）的端部被同时焊接在另一限位滑块（3）上；限位滑块（3）设置在开槽长方体（2）外表面，可与所述开槽长方体（2）发生相对滑动；所述右连接杆（11）通过开槽长方体（2）右侧的圆形开孔伸入所述开槽长方体（2）内；

所述限位档杆（6）对称布置在传动杆a（7）两侧的水平通槽内；所述水平通槽还设置有SMA丝束（8），所述SMA丝束（8）围绕四个限位档杆（6）布置在开槽长方体（2）内，并穿过档杆a（4）和档杆b（5）之间的空隙以及档杆c（9）和档杆d（10）之间的空隙；

所述变刚度自复位阻尼器还包括左连接板（1），所述左连接板（1）和右连接杆（11）与结构之间通过铰接方式连接，保证自复位阻尼器轴向受力；

当阻尼器两端发生相对运动时，SMA丝束均处于拉伸变形状态，设置档杆a（4）、档杆b（5）、档杆c（9）、档杆d（10）同时推动SMA丝束变形，从而侧向推动SMA丝束产生变形呈现等腰三角形，阻尼器的轴力放大系数为

；当SMA丝束变形时，其对阻尼器的有效恢复力应为SMA丝束的合力/>

在阻尼器轴向的分量，即/>

，其中，/>

为SMA丝束的直接受力段与阻尼器轴向的夹角；随着阻尼器变形增加，SMA丝束的直接受力段与阻尼器轴向的夹角减小，实现阻尼器有效恢复力与轴向位移非线性关系，达到变刚度的效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，其特征在于：所述档杆a（4）和档杆b（5）、档杆c（9）和档杆d（10）之间的空隙等于SMA丝束（8）的直径。

3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，其特征在于：所述SMA丝束（8）与档杆a（4）、档杆b（5）、限位档杆（6）、档杆c（9）和档杆d（10）之间，以及开槽长方体（2）与限位滑块（3）、档杆a（4）、档杆b（5）、档杆c（9）、档杆d（10）和右连接杆（11）之间均应涂抹润滑油，减小摩擦阻力。

4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，其特征在于：所述左连接板（1）为一开孔金属板，右侧与开槽长方体（2）通过焊接方式固定。

5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，其特征在于：所述开槽长方体（2）为金属板。

6.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，其特征在于：所述限位档杆（6）的两端与开槽长方体（2）焊接或者螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，其特征在于：所述限位档杆（6）与档杆a（4）、档杆b（5）、档杆c（9）和档杆d（10）平行布置。

8.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金材料的变刚度自复位阻尼器，其特征在于：所述传动杆a（7）两侧分布对称布置有两根限位档杆（6）。

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