CN115262790B - 形状记忆合金阻尼器 - Google Patents

Abstract

本公开提供的形状记忆合金阻尼器，包括：固定体，包括第一滑槽和位于其内的第一限位件；可相对固定体沿平行于第一滑槽往复滑移的滑移体，包括与第一滑槽平行的第二滑槽和位于该滑槽内的第二限位件；第一、第二连接杆，两连接杆均跨越第一滑槽和第二滑槽且相对设置，两连接杆之间连接有形状记忆合金丝，当滑移体相对固定体滑移时，两连接杆在第一、第二滑槽内滑移，两连接杆的间距受第一、第二限位件的限制作用以及形状记忆合金的回复力作用产生变化；以及用于调节形状记忆合金丝所处环境的温度，使得到形状记忆合金丝发挥最大减振效能的温度调节单元。本公开在受拉和受压两种工况下，均能产生较好的消能效果，提升形状记忆合金丝的利用效率。

Description

形状记忆合金阻尼器

技术领域

本公开属于工程结构抗震减振领域，特别涉及形状记忆合金阻尼器。

背景技术

自二十世纪以来，人们在建筑物抗震减振性能方面已经投入了大量精力，并取得了显著的成果。其中最为有效的成果之一是“结构的保护系统”。人们跳出了传统增强梁、柱、墙提高抗振动的能力的观念，结合结构的动力性能，巧妙的避免或减少了建筑受地震和风力的破坏。例如：基础隔震，利用阻尼器消能，耗能系统，高层建筑屋顶上的质量共振阻尼系统和主动控制减震体系均已经应用到工程实际中，且其中有一些也已经成为减少振动必不可少的保护措施。特别是对于难于预料的地震和破坏机理还未可知的多维振动，上述保护系统就显得更加重要。

对于阻尼器来说，近年来出现了利用粘弹性材料及黏滞流体的特性制成的阻尼器，这类阻尼器对于结构具有一定的减振效果。此类阻尼器的特征在于，其阻尼力的大小主要与结构振动的速度相关，而与结构变形的幅度无关，且在工程应用中需要解决耐久性、抗渗漏或抗腐蚀等问题。

形状记忆合金的一种重要性质是伪弹性(又称超弹性)，表现为在外力作用下，形状记忆合金的变形恢复能力远大于一般金属的变形恢复能力，即加载过程中形状记忆合金产生的大应变会随着卸载而恢复。利用形状记忆合金的这一特性制成的形状记忆合金阻尼器，其特征在于，随着位移的增大，其减振消能的效果也会提升，进而提升结构的抗震性能。另一方面，形状记忆合金具有良好的耐久性，其抗腐蚀性好，使用年限长。

对于形状记忆合金来说，当外界温度波动时，容易影响其减振性能。

发明内容

本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本公开实施例提供的温度可自动调节的形状记忆合金阻尼器，可保证形状记忆合金丝工作的环境温度在预设的区间内，从而最大程度利用其减振效能的功能。本公开实施例提供的形状记忆合金阻尼器，包括：

固定体，所述固定体包括第一滑槽，所述第一滑槽内设有第一限位件；

滑移体，所述滑动体可相对所述固定体沿平行于所述第一滑槽的方向往复滑移，所述滑移体包括与所述第一滑槽平行的第二滑槽，所述第二滑槽内设有第二限位件；

第一连接杆和第二连接杆，所述第一连接杆和所述第二连接杆均跨越所述第一滑槽和所述第二滑槽且相对设置，所述第一连接杆和所述第二连接杆之间连接有形状记忆合金丝，当所述滑移体相对所述固定体滑移时，所述第一连接杆和所述第二连接杆在所述第一滑槽和所述第二滑槽内滑移，所述第一连接杆和所述第二连接杆的间距受所述第一限位件和所述第二限位件的限制作用以及所述形状记忆合金的回复力作用产生变化；以及

温度调节单元，用于调节所述形状记忆合金丝所处环境的温度，使得到形状记忆合金丝发挥最大减振效能。

本公开实施例提供的形状记忆合金阻尼器，具有以下特点及有益效果：

1、本公开实施例利用形状记忆合金的特性制成阻尼器，随着结构变形的增加，形状记忆合金阻尼器的减振消能效果也随之增大，且在阻尼器内部设置温度调节单元，使得无论外界环境温度如何变化，形状记忆合金丝的工作环境温度总能使得其发挥出最大减振效能。

2、本公开实施例提供的形状记忆合金阻尼器，利用形状记忆合金的物理特性，无论其受拉还是受压，内部的形状记忆合金丝均受拉被拉长，可达到消能的效果，且随着整体变形的增加，其消能的效果越好，能够提升形状记忆合金丝的利用效率。

在一些实施例中，所述固定体为内部中空的腔体，所述固定体的一端为封闭端、另一端为开敞端，所述第一滑槽对称设置在所述固定体的两侧壁上，位于所述固定体同一侧壁上的所述第一滑槽由间隔设置的第一子滑槽a1和第一子滑槽b1组成，且所述第一子滑槽a1较所述第一子滑槽b1靠近所述固定体的封闭端设置，在所述第一子滑槽a1的两端分别设置第一限位件c1，在所述第一子滑槽b1的两端分别设置第一限位件d1。

在一些实施例中，所述滑移体为内部中空的腔体，所述第二滑槽对称设置在所述滑移体的两侧壁上，位于所述滑移体同一侧壁上的所述第二滑槽由间隔设置的第二子滑槽a2和第二子滑槽b2组成，且所述第二子滑槽a2较所述第二子滑槽b2靠近所述固定体的封闭端设置，在所述第二子滑槽a2的两端分别设置第二限位件c2，在所述第二子滑槽b2的两端分别设置第二限位件d2。

在一些实施例中，所述第一子滑槽a1和所述第一子滑槽b1的间距大于所述第一子滑槽a1的长度，所述第二子滑槽a2与所述第二子滑槽b2的间距等于所述第一子滑槽a1与所述第一子滑槽b1的间距。

在一些实施例中，所述温度调节单元包括电源、热敏电阻、可变电阻、风扇、发热电阻丝、第一二极管和第二二极管，所述热敏电阻和所述可变电阻分别与所述电源并联连接，所述风扇与所述第一二极管的负极串联构成降温支路，所述发热电阻丝与所述第二二极管的正极串联构成升温支路，所述降温支路和所述升温支路并联在所述热敏电阻与所述可变电阻之间，所述可变电阻的电阻值为所述形状记忆合金在最适温度下所述热敏电阻的电阻值。

在一些实施例中，所述风扇和所述发热电阻丝设置在所述形状记忆合金丝附近的所述滑移体相对设置的两侧壁上。

在一些实施例中，在与所述风扇相对的所述固定体的侧壁上设有通风口。

在一些实施例中，所述第一连接杆和所述第二连接杆之间连接有多匝平行排列的所述形状记忆合金丝。

在一些实施例中，在所述固定体上设有第一凸耳，所述滑移体上设有第二凸耳，所述固定体和所述滑移体分别通过所述第一凸耳和所述第二凸耳与受控结构连接。

在一些实施例中，所述第一凸耳和所述第二凸耳与受控结构的连接方式采用铰接连接、螺栓连接和/或通过滑移支座连接。

附图说明

图1～图3分别为本公开实施例提供的形状记忆合金阻尼器的立面图、俯视图和后视图；

图4为图1的A-A向剖面图；

图5为图2的B-B向剖面图；

图6为图1的A-A向剖面三维示意图；

图7为本公开实施例提供的形状记忆合金阻尼器中温度调节电路的示意图；

图中标号：

1—固定体，11—第一滑槽，111—第一限位件，12-第一凸耳，13—通风口；

2—移动体，21—第二滑槽，211—第二限位件，22-第二凸耳；

31—第一连接杆，32—第二连接杆，33—形状记忆合金丝；

4—温度调节单元，41—电源，42—热敏电阻，43—可变电阻，44—风扇，45—发热电阻丝，46—第一二极管，47—第二二极管。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。

相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。

参见图1～7，本公开实施例提供的的形状记忆合金阻尼器，包括：

固定体1，固定体1上设有第一滑槽11，第一滑槽11内设有第一限位件111；

滑移体2，滑动体2可相对固定体1沿平行于第一滑槽11的方向往复滑移，滑移体2上设有与第一滑槽11平行的第二滑槽21，第二滑槽21内设有第二限位件211；

第一连接杆31和第二连接杆32，第一连接杆31和第二连接杆32均跨越第一滑槽11和第二滑槽21且相对设置，第一连接杆31和第二连接杆32之间连接有形状记忆合金丝33；当滑移体2相对固定体1滑移时，第一连接杆31和第二连接杆32在第一滑槽11和第二滑槽21内滑移，第一连接杆31和第二连接杆32的间距受第一限位件111和第二限位件211的限制作用以及形状记忆合金33的回复力作用产生变化；和

温度调节单元4，温度调节单元4用于调节形状记忆合金丝33的环境温度，使形状记忆合金丝33发挥最大减振效能。

为便于描述，下文约定以滑移体的滑移方向作为本形状记忆合金阻尼器的长度方向，以垂直于滑移体的滑移方向作为本形状记忆合金阻尼器的宽度方向。

在一些实施例中，可将本形状记忆合金阻尼器放置在大体积混凝土中设置的结构缝中，其中，固定体1和滑移体2分别通过第一凸耳12及第二凸耳22与受控结构的两侧连接，具体连接方式可由实际需求设置为铰链连接、螺栓连接和/或通过滑移支座连接。固定体1及滑移体2的尺寸应根据受控结构选择，一方面其几何尺寸应跨越受控结构需要被控制的两端的距离，另一方面应使得其在不影响原结构正常工作的前提下能够提供足够的阻尼。

在一些实施例中，固定体1为内部中空的腔体，固定体1的内部空间用于容纳滑移体2。固定体1的一端为封闭端，另一端为开敞端，该开敞端为滑移体2滑进或滑出固定体1提供空间。在固定体1的两侧壁上对称设有第一滑槽11，且位于固定体1同一侧壁上的第一滑槽11由间隔设置两个第一子滑槽组成，记为第一子滑槽a1和第一子滑槽b1，且第一子滑槽a1相对于第一子滑槽b1靠近固定体1的封闭端设置，在各第一子滑槽的端部分别设置第一限位件111，其中，将设置在第一子滑槽a1两端的第一限位件记为第一限位件c1，将设置在第一子滑槽b两端的第一限位件记为第一限位件d1，通过第一限位件c1限制第一连接杆31在第一子滑槽a1内的滑移位置和滑移方向，通过第一限位件d1限制第二连接杆32在第一子滑槽b1内的滑移位置和滑移方向。固定体1中第一子滑槽a1和第二子滑槽b1的长度相同，其具体长度由受控结构被控制的区域实际可发生的变形确定，各第一子滑槽的深度应根据固定体1及受控结构的实际尺寸确定，确保各第一子滑槽在工作中具有足够的稳定性。此外，第一子滑槽a1和第一子滑槽b1中的间距应大于各第一子滑槽的长度。

在一些实施例中，滑移体2为内部中空的腔体，滑移体2在固定体1内部可沿本形状记忆合金阻尼器的长度方向滑移。在滑移体2的两侧壁上对称设有第二滑槽21，且位于滑移体2同一侧壁上的第二滑槽21由间隔设置两个第二子滑槽组成，记为第二子滑槽a2和第二子滑槽b2，且第二子滑槽a2相对于第二子滑槽b2靠近固定体1的封闭端设置，在各第二子滑槽的端部分别设置第二限位件211，其中，将设置在第二子滑槽a2两端的第二限位件记为第二限位件c2，将设置在第二子滑槽b2两端的第二限位件记为第二限位件d2，通过第二限位件c2限制第一连接杆31在第二子滑槽a2内的滑移位置和滑移方向，通过第二限位件d2限制第二连接杆32在第二子滑槽b2内的滑移位置和滑移方向。滑移体2中第二子滑槽a2和第二子滑槽b2的长度相同，且其长度与各第一子滑槽长度也相同，其具体长度由受控结构被控制的区域实际可发生的变形确定，各第二子滑槽的深度应根据滑移2及受控结构的实际尺寸确定，确保各第二子滑槽在工作中具有足够的稳定性。此外，第二子滑槽a2和第二子滑槽b2中的间距应大于各第二子滑槽的长度，且各第二子滑槽的间距应与各第一子滑槽的间距相同。

在一些实施例中，第一连接杆31和第二连接杆32采用但不限于铬钢、铬钼钢和镍铬钼钢等材料，其材料应具有足够刚度，保证在阻尼器工作过程中不产生大形变，此外，所选取材料应具有较小的摩擦系数，减少各连接杆在第一滑槽11和第二滑槽21中滑动时产生的摩擦力。

在一些实施例中，形状记忆合金丝33缠绕在第一连接杆31和第二连接杆32上，以将第一连接杆31和第二连接杆32进行连接。形状记忆合金丝33采用钛镍合金或铜锌铝合金，具体材料选取根据实际受控结构的最大变形确定，当受控结构应变较小时可使用铜锌铝合金，当受控结构应变较大时可采用钛镍合金。实际应用中，形状记忆合金丝33可采用多匝平行排列，以承受更大的应力，具体排列方式及排列间距无特殊要求。

在一些实施例中，温度调节单元4包括电源41、热敏电阻42、可变电阻43、风扇44、发热电阻丝45、第一二极管46和第二二极管47。热敏电阻42和可变电阻43分别与电源41并联连接，风扇44与第一二极管46的负极串联构成降温支路，发热电阻丝45与第二二极管47的正极串联构成升温支路，降温支路和升温支路并联在热敏电阻42与可变电阻43之间。可选地，将风扇44设置在滑移体2的一侧壁上，将发热电阻丝45设置在滑移体2的另一侧壁上，且风扇44和发热电阻丝45设置在形状记忆合金丝33附近，将电源41、热敏电阻42、可变电阻43、第一二极管46和第二二极管47设置在滑移体2的中空部分。

进一步地，对温度调节单元4的工作原理描述如下：

对于不同材质的形状记忆合，其表现出超弹性的温度范围也有所不同，对于常见的TiNi形状记忆合金，其最适温度通常在18至35摄氏度之间。将温度调节单元4中可变电阻43的阻值设定为热敏电阻42在最适温度下的电阻值，此时，当环境温度为最适温度时，可变电阻43的阻值与热敏电阻42的阻值相同，因此可变电阻43所在支路与热敏电阻42所在支路(图7中所示为上下两支路)的阻值相同，风扇44及发热电阻丝45中无电流通过，风扇44及发热电阻丝45均不工作。当环境温度高于最适温度时，可变电阻43所在支路与热敏电阻42所在支路的电阻值出现差异，电流从下侧流向上侧，此时由于二极管的存在，降温支路接通，升温支路的不接通，风扇44开始工作，为环境降温，直至环境温度达到最适温度，降温支路和升温支路均不接通；当环境温度低于最适温度时，电流从上侧流向下侧，此时降温支路不连通，升温支路连通，发热电阻丝45开始工作，为环境升温，直至环境温度达到最适温度，升温支路和降温支路均不接通。

在一些实施例中，在固定体1上还设有第一凸耳12和通风口13；第一凸耳12设置在固定体1的封闭端外侧，通过第一凸耳12可向固定体1施加拉力或压力；通风口13设置与风扇44相对的固定体1的侧壁上。在滑移体2远离固定体1封闭端的一端设有第二凸耳22，通过第二凸耳22可向滑移体2施加拉力或压力。

以下描述本公开实施例提供的形状记忆合金阻尼器的工作过程：

当形状记忆合金阻尼器处于初始状态时，固定体1和滑移体2上左右两侧的第一滑槽和第二滑槽正对放置。

当形状记忆合金阻尼器受拉时，假设固定体1保持静止，第二凸耳22受拉，带动滑移体2向远离固定体1的一侧(图中所示为右侧)移动，此时，第一连接杆31受到第一子滑槽a1上远离固定体1封闭端设置的第一限位件c1的约束，保持静止，第二连接杆32受到第二子滑槽b2上靠近固定体1封闭端设置的第二限位件c2的约束，随着滑移体2一起向远离固定体1封闭端的方向移动，形状记忆合金丝33被逐渐拉长；

形状记忆合金阻尼器受拉后回到初始状态时，仍假设固定体1静止，形状记忆合金丝33中产生回复力，使得第二连接杆32受到拉力，而第一连接杆31受到第一子滑槽a1上远离固定体1封闭端设置的第一限位件c1的约束，保持静止，此时，第二子滑槽b2上靠近固定体1封闭端设置的第二限位件c2受到第二连接杆32的拉力作用，带动整个滑移体2一起向靠近固定体1封闭端的方向移动，形状记忆合金丝33恢复初始状态，固定体1和滑移体2上左右两侧的第一滑槽和第二滑槽恢复到对齐状态。

当形状记忆合金阻尼器受压时，假设固定体1保持静止，第二凸耳22受压，带动滑移体2向靠近固定体1封闭端的一侧(图中所示为左侧)移动，此时，第一连接杆31受到第二子滑槽a2上远离固定体1封闭端设置的第二限位件c2的约束，随着滑移体2一起向靠近固定体1封闭端的一侧(图中所示为左侧)移动，第二连接杆32受到第一子滑槽b1上靠近固定体1封闭端设置的第一限位件d1的约束，保持静止，形状记忆合金丝33被逐渐拉长；

形状记忆合金阻尼器受压后回到初始状态时，仍假设固定体1静止，形状记忆合金丝33中产生回复力，使得第一连接杆31受到拉力，而第二连接杆32受到第一子滑槽b1上靠近离固定体1封闭端设置的第一限位件d1的约束，保持静止，此时，第二子滑槽a2上远离固定体1封闭端设置的第二限位件c2受到第一连接杆31的拉力作用，带动整个滑移体2一起向远离固定体1封闭端的方向移动，形状记忆合金丝33恢复初始状态，固定体1和滑移体2上左右两侧的第一滑槽和第二滑槽恢复到对齐状态。

当形状记忆合金33被拉长后，将产生使得形状记忆合金阻尼器整体恢复到初始状态的作用力(即回复力)，形状记忆合金丝33拉长并恢复的过程中，由于形状记忆合金材料的伪弹性，其应力应变曲线并非线性，且加载和卸载过程的应力应变曲线不完全重合，因此将产生能量消耗，从而使受控结构达到减振消能的效果。

在一些实施例中，为提升本阻尼器的减振消能性能，采用多匝形状记忆合金丝33，多匝形状记忆合金丝33采用平行排列，具体排列方式及排列间距无限制，形状记忆合金丝33的具体匝数等根据实际需要确定。

需要说明的是，可根据实际情况适当选择形状记忆合金丝33的匝数及排列方式，调整固定体1及滑移体2的左右位置关系，原理不变。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种形状记忆合金阻尼器，其特征在于，包括：

固定体，所述固定体包括第一滑槽，所述第一滑槽内设有第一限位件；

滑移体，所述滑移体可相对所述固定体沿平行于所述第一滑槽的方向往复滑移，所述滑移体包括与所述第一滑槽平行的第二滑槽，所述第二滑槽内设有第二限位件；

第一连接杆和第二连接杆，所述第一连接杆和所述第二连接杆均跨越所述第一滑槽和所述第二滑槽且相对设置，所述第一连接杆和所述第二连接杆之间连接有形状记忆合金丝，当所述滑移体相对所述固定体滑移时，所述第一连接杆和所述第二连接杆在所述第一滑槽和所述第二滑槽内滑移，所述第一连接杆和所述第二连接杆的间距受所述第一限位件和所述第二限位件的限制作用以及所述形状记忆合金的回复力作用产生变化；以及

温度调节单元，用于调节所述形状记忆合金丝所处环境的温度，使得形状记忆合金丝发挥最大减振效能；所述温度调节单元包括电源、热敏电阻、可变电阻、风扇、发热电阻丝、第一二极管和第二二极管，所述热敏电阻和所述可变电阻分别与所述电源并联连接，所述风扇与所述第一二极管的负极串联构成降温支路，所述发热电阻丝与所述第二二极管的正极串联构成升温支路，所述降温支路和所述升温支路并联在所述热敏电阻与所述可变电阻之间，所述可变电阻的电阻值为所述形状记忆合金在最适温度下所述热敏电阻的电阻值。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金阻尼器，其特征在于，所述固定体为内部中空的腔体，所述固定体的一端为封闭端、另一端为开敞端，所述第一滑槽对称设置在所述固定体的两侧壁上，位于所述固定体同一侧壁上的所述第一滑槽由间隔设置的第一子滑槽a1和第一子滑槽b1组成，且所述第一子滑槽a1较所述第一子滑槽b1靠近所述固定体的封闭端设置，在所述第一子滑槽a1的两端分别设置第一限位件c1，在所述第一子滑槽b1的两端分别设置第一限位件d1。

3.根据权利要求2所述的形状记忆合金阻尼器，其特征在于，所述滑移体为内部中空的腔体，所述第二滑槽对称设置在所述滑移体的两侧壁上，位于所述滑移体同一侧壁上的所述第二滑槽由间隔设置的第二子滑槽a2和第二子滑槽b2组成，且所述第二子滑槽a2较所述第二子滑槽b2靠近所述固定体的封闭端设置，在所述第二子滑槽a2的两端分别设置第二限位件c2，在所述第二子滑槽b2的两端分别设置第二限位件d2。

4.根据权利要求3所述的形状记忆合金阻尼器，其特征在于，所述第一子滑槽a1和所述第一子滑槽b1的间距大于所述第一子滑槽a1的长度，所述第二子滑槽a2与所述第二子滑槽b2的间距等于所述第一子滑槽a1与所述第一子滑槽b1的间距。

5.根据权利要求1所述的形状记忆合金阻尼器，其特征在于，所述风扇和所述发热电阻丝设置在所述形状记忆合金丝附近的所述滑移体相对设置的两侧壁上。

6.根据权利要求5所述的形状记忆合金阻尼器，其特征在于，在与所述风扇相对的所述固定体的侧壁上设有通风口。

7.根据权利要求1所述的形状记忆合金阻尼器，其特征在于，所述第一连接杆和所述第二连接杆之间连接有多匝平行排列的所述形状记忆合金丝。

8.根据权利要求1~7中任一项所述的形状记忆合金阻尼器，其特征在于，在所述固定体上设有第一凸耳，所述滑移体上设有第二凸耳，所述固定体和所述滑移体分别通过所述第一凸耳和所述第二凸耳与受控结构连接。

9.根据权利要求8所述的形状记忆合金阻尼器，其特征在于，所述第一凸耳和所述第二凸耳与受控结构的连接方式采用铰接连接、螺栓连接和/或通过滑移支座连接。