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一种新型SMA阻尼器的设计及数值分析

彭辉鸿  
【摘要】: 形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)是一种新型的功能材料,具有形状记忆效应、超弹性和高阻尼等优良特性,因此可以作为结构振动控制的理想材料,在结构振动控制领域具有广阔的应用前景。国内外众多学者致力于SMA在结构振动控制中的研究,取得了一些研究成果,但在新型SMA阻尼器的研制开发方面,还存在一些问题,目前开发出来的SMA阻尼装置均还于试验阶段,离实际工程应用仍有很大距离,因此有待于进一步研究。在此背景下,本文采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法,对一种新型的SMA阻尼器进行了研究。本文的主要研究工作如下: (1)试验测试了一种国产超弹性NiTi丝的力学性能,研究了循环次数、应变幅值和加载速率等因素对SMA滞回曲线及其力学参数(相变应力、单圈耗能、等效阻尼比和残余应变等)的影响。结果表明,试验NiTi丝不仅具有良好的耗能能力,而且可恢复变形大,因此该NiTi丝具有良好的超弹性性能; (2)针对Brinson一维本构模型中SMA材料相变超弹性热力学方程的求解特点,采用牛顿迭代法,编制了相应的MATLAB分析程序,模拟了试验材料的相变超弹性性能,并与试验结果进行了对比,两者吻合良好; (3)设计了一种新型的SMA自复位阻尼器,兼有耗能和复位功能,且构造简单。根据阻尼器的工作原理,编制了相应的MATLAB分析程序,模拟了阻尼器的力学性能。结果表明,阻尼器滞回曲线呈双旗形,且饱满。因此,该阻尼器具有良好的耗能能力; (4)编制了单自由度和多自由度动力非线性时程分析程序,分别对SMA阻尼器控制下的一单层钢框架和一三层钢框架进行了减震分析。结果表明,阻尼器能有效地降低结构的位移响应,但对结构速度和加速度的控制效果不明显。


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