考虑残余变形的SMA棒材数值模拟方法研究

为了模拟实际情况中超弹性形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)棒材在循环拉伸荷载作用下的残余应变，解决SMA棒材在自复位体系中应用时结构的自复位性能数值模拟结果偏于理想的问题，提出了一种可以考虑残余变形的SMA棒材数值模拟方法。采用基于唯象理论的Auricchio本构模型，对4个超弹性SMA棒材算例进行有限元模拟，在此基础上，采用材料置换的思路，以等效弹塑性金属的塑性变形来反映SMA棒材受力后的残余变形，给出了具体的SMA棒材残余变形有限元模拟方法，并根据试验数据对模拟结果进行了验证。研究结果表明，基于Auricchio本构模型的SMA棒材有限元模拟结果无法表现材料的残余变形，而采用所提出的可以考虑残余变形的SMA棒材数值模拟方法能够较好地反映SMA棒材包括残余应变在内的各项力学性能。     

基于形状记忆合金棒的自复位耗能装置数值分析

研发了一种基于形状记忆合金棒材的自复位耗能装置。通过对形状记忆合金棒进行循环拉伸试验,分析了SMA材料的超弹性性能与耗能能力,建立了SMA材料的分段线性伪弹性本构模型,与试验数据进行对比以验证其合理性;阐述了该装置的理论模型与耗能原理,并利用有限元分析软件进行了数值模型试验,分析结果表明:该自复位耗能装置在循环荷载作用下,具有稳定的滞回特性,且单位循环耗能量大,残余变形很小,表现出良好的自复位能力与耗能能力。     

基于齿轮机构的SMA-摩擦阻尼器试验研究及数值模拟EI北大核心CSCD

基于齿轮机构对形状记忆合金(SMA)丝非比例拉伸的特点,提出了一种新型SMA-摩擦阻尼器,并阐述了该阻尼器的基本构造和工作原理。对SMA丝进行循环拉伸试验,考察了加载幅值、加载速率对其力学性能的影响规律;分别对齿轮摩擦单元和SMA-摩擦阻尼器试件进行了低周往复荷载下的力学性能试验,得到了摩擦材料、预紧力以及位移幅值对单次循环耗能、割线刚度、等效阻尼比和自复位率等力学性能指标的影响规律;建立了SMA-摩擦阻尼器的简化力学模型并进行了数值模拟。研究结果表明:所用复合树脂材料较黄铜材料出力更大,性能更稳定;新型阻尼器具有良好的耗能能力、承载能力及自复位能力,可实现大行程设计;利用OpenSees有限元模型计算得到的滞回曲线与试验曲线吻合较好,验证了力学模型和材料本构二次开发的正确性。     

一种新型自复位SMA-剪切型铅阻尼器的试验及其数值分析

利用形状记忆合金（shape memory alloys,SMA）的超弹性以及金属铅的屈服耗能特性,开发出一种新型复合耗能自复位阻尼器,由形状记忆合金丝、剪切型铅块以及复位弹簧组成,其特点是结构简单、制作方便,同时具有高耗能及自复位功能。制作了阻尼器模型,并进行了力学试验,研究了在循环荷载作用下不同加载速率、不同位移幅值对其力学性能的影响。建立阻尼器的力学模型对其进行了数值模拟,结果表明:新型阻尼器在循环荷载作用下滞回性能稳定,利用形状记忆合金与铅同时工作耗能,阻尼器具有良好的耗能能力;复位弹簧的设置能使阻尼器具有良好的自复位能力;数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了力学模型的正确性。     

新型多维形状记忆合金阻尼器的试验研究

利用形状记忆合金设计了一种新型多维SMA阻尼器,该阻尼器能够将扭转运动转化为阻尼丝拉伸,从而提供拉压及扭转方向阻尼,该文详细介绍了该装置的构造及工作原理。试验研究了加载幅值、加载频率和初始应变对该阻尼器力学性能的影响,并采用改进的Graesser-Cozzarelli模型建立了阻尼器的理论模型,分别对其拉伸和扭转力学性能进行了数值模拟。结果表明,不同工况下的数值模拟结果与试验结果均吻合较好,验证了理论模型的有效性。     

结构振动控制的不同直径NiTi丝力学性能试验研究

试验研究了三种直径超弹性NiTi SMA丝的力学特性,考察了循环加载次数、应变幅值、加载速率和环境温度对其力学性能（相变应力、每循环耗散能量、割线刚度、等效阻尼比和残余应变等）的影响,揭示了加卸载过程中因潜热引起的SMA丝温度的变化规律。研究表明：随着循环加载次数的增加,三种材料的马氏体相变开始应力降低、每循环耗散能量和割线刚度逐渐减小,而残余应变累计增大,但约20圈后趋于稳定。而在同等条件下,三种材料相比,直径0.5mm SMA丝阻尼耗能特性和自复位特性优于另两种材料,而直径1.2mm和2.0mm SMA丝的力学性能基本接近。试验结果为SMA阻尼器的设计提供了依据。     

1Cr18Ni9Ti 不锈钢管滞后回弹的黏弹塑性建模和有限元模拟

目的研究1Cr18Ni9Ti不锈钢管在单轴拉伸和回转牵引弯曲卸载后的滞后回弹现象,利用有限元软件进行滞后回弹结果的预测。方法通过系列单轴拉伸和应力松弛试验得到1Cr18Ni9Ti不锈钢管黏弹塑性材料参数,采用双耗散黏弹塑性材料模型在有限元ABAQUS软件进行拉伸和回转弯曲卸载后滞后回弹的模拟预测,并与试验结果对比。结果利用该黏弹塑性材料模型预测得到的滞后回弹变化趋势与试验值吻合较好,数值上接近试验值。结论基于双耗散黏弹塑性材料模型进行滞后回弹的建模,在瞬时回弹后,弹塑性组合单元和黏弹性组合单元中存在相反的残余应力,从而驱动材料持续发生黏弹性变形,可能是产生滞后回弹的原因。有限元分析中考虑了加载过程中的黏性响应,其预测结果更加接近实际。     

一种新型SMA阻尼器的试验和数值模拟研究

利用超弹性SMA丝的耗能能力和自复位能力.提出了一种新型的SMA阻尼器,试验研究了该阻尼器在循环荷载作用下不同位移幅值、不同加载频率和不同初始位移条件下的力学性能,并通过建立的理论模型对阻尼器的力学性能进行了数值模拟.研究结果表明:该新型SMA阻尼器在循环荷载作用下形成稳定的滞回曲线,具有良好的耗能能力和自复位能力;阻尼器的性能可通过调节超弹性SMA丝的初始应变而改变,以满足工程的需要;动力荷载(0.5～2 Hz)频率对阻尼器的耗能能力和等效阻尼比影响不大,而恢复力和割线刚度随频率增加而略微增大;数值模拟结果和试验结果吻合较好,建立的理论模型可以对SMA阻尼器进行理论分析.     

92负刚度蜂窝结构压缩性能分析

为准确开展以黏弹性材料为载体的负刚度蜂窝结构数值模拟研究,提出一种基于黏弹性广义Maxwell模型的负刚度蜂窝结构压缩性能数值模拟法。进行了尼龙12的动态机械分析(DMA)测试,基于广义Maxwell模型拟合实测动态模量数据,得到反映尼龙12动态黏弹性的无量纲模量g_i和松弛时间τ_i。建立了负刚度蜂窝结构的有限元模型,基于实测的动态黏弹性参数,进行压缩性能的数值模拟研究,并同压缩试验结果进行比较,验证了数值模拟的准确性,利用数值模拟研究几何参数对结构压缩性能的影响规律。结果表明,基于黏弹性广义Maxwell模型的负刚度蜂窝结构数值模拟分析法可较准确模拟结构的压缩性能,为预测负刚度蜂窝结构的力学性能提供帮助。     

自复位放大位移型SMA阻尼器优化设计方法研究

该文利用形状记忆合金（SMA）的超弹特性提出了一种新型自复位放大位移型SMA阻尼器（re-centeringdeformation-amplified SMA damper,RDASD）。该阻尼器可将位移变形根据实际工程需要进行放大,通过限制放大以后的位移充分发挥SMA材料的耗能能力。首先建立了该阻尼器的恢复力模型,并通过试验进行了验证。基于SMA材料的旗帜型恢复力模型,分析了预变形、超弹性拉伸位移、刚度和长度四个参数对该阻尼器耗能系数的影响规律。为实现最佳耗能和减震控制效果,提出了该阻尼器的设计准则和性能优化方法。最后以某三层钢框架结构为例,分析了有控和无控两种工况下结构在地震动作用下的动力响应,验证了该阻尼器的减震效果。     

考虑加/卸载速率影响的Ti-Ni形状记忆合金简化本构模型

系统研究了Ti-Ni形状记忆合金丝(SMA)应力-应变曲线、特征点应力、耗能能力、等效阻尼比随材料直径、应变幅值、加载速率、加载循环次数的变化规律;针对SMA唯象Brinson本构模型无法描述SMA动态力学性能的缺点,结合前述试验结果,提出了一种可考虑加/卸载速率影响的SMA简化本构模型。应用该模型对试验用SMA丝进行模拟,所得应力-应变曲线各特征点平均误差仅为3%,结果表明:所建立的速率相关SMA简化本构模型可较为精确地描述SMA在应力诱发相变过程中的超弹性力学行为,同时可反映加/卸载速率和应变幅值等主要因素对其动力本构模型的影响;该模型结构形式简单,具有较好的工程应用前景。     

用于阻尼器的不同直径NiTi丝力学性能试验

通过对3种不同直径NiTi形状记忆合金丝进行多工况循环加载试验,研究循环次数、应变幅值和加卸载速率对等效刚度、单循环耗能以及阻尼特性的影响。研究表明:经过多次加卸载循环进入稳定期后,形状记忆合金丝的力学性能表现出良好的重复性。对于直径相同的形状记忆合金丝,等效刚度、单循环耗能和等效阻尼比都随循环次数的增加而降低。随着应变幅值的增大,等效刚度减小,而单循环耗能近似线性增加。研究结果对于开发形状记忆合金被动阻尼元件具有指导意义。     

高阻尼黏弹性阻尼器性能与力学模型研究

对2个高阻尼黏弹性阻尼器进行不同应变幅值、加载频率下的力学性能试验和疲劳性能试验,研究试件在不同工况下的最大剪应力、存储剪切模量、损耗剪切模量和等效黏滞阻尼比等力学性能及其变化规律,提出五单元模型模拟黏弹性阻尼器的滞回性能。研究结果表明：黏弹性阻尼器滞回曲线饱满、稳定,具有较高的等效黏滞阻尼比,表现出良好的变形性能和耗能能力;黏弹性阻尼器力学性能与应变幅值的相关性明显,与加载频率相关性较小,抗疲劳性能较好;五单元模型模拟的滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好。     

自复位粘弹性腹杆的力学原理与滞回性能研究

为改善超高层建筑伸臂桁架抗震性能,消除传统斜腹杆屈曲后强度刚度退化明显、耗能不足和残余变形较大等问题,该文设计了一种兼具稳定刚度、耗能和复位功能的自复位粘弹性斜腹杆（SC-VEDM）代替传统型钢腹杆。通过合理的构造措施,将粘弹性材料、预应力筋和型钢组装起来,利用粘弹性材料剪切变形提供耗能能力,预应力筋始终受拉提供复位能力;建立SC-VEDM的理论力学模型,分析不同工作阶段的受力特征,推导其理论恢复力模型;利用通用有限元软件MSC.Marc建立SC-VEDM的精细有限元模型,对其滞回性能进行了模拟预测。结果表明,该文提出的构造措施可行,设计的SC-VEDM具有稳定的刚度、较好的耗能和复位能力。且SC-VEDM的数值模拟结果与理论恢复力模型结果吻合良好,腹杆第一刚度相对偏差为0.4%,受压承载力最大相对偏差约为4.64%,累积滞回耗能最大相对偏差约为10.9%,为后续SC-VEDM的试验和设计方法研究奠定了基础。     

自复位超弹性SMA筋梁柱节点数值模拟研究

为提高框架结构的耗能能力和自恢复能力,提出了基于超弹性SMA筋的功能自恢复梁柱节点。基于OpenSees有限元软件平台,采用SMA材料自复位双旗形本构模型,建立了自复位SMA筋混凝土梁柱节点有限元数值模型,进行了低周往复作用下有限元模拟,得出节点的滞回曲线与骨架曲线。通过与现有试验结果的对比,验证了节点分析模型的有效性。进行了参数分析,分别考虑了SMA材料的配置数量、配置长度和屈服强度等参数,分析了SMA材料参数对节点的滞回性能和自复位能力等性能的影响。结果表明:超弹性SMA筋混凝土梁柱节点具有较高的耗能能力和自复位能力。建立的数值分析模型能较好地模拟自复位SMA筋节点在低周往复荷载作用力下的“双旗形”滞回性能。SMA筋材力学参数对节点抗震性能有较大影响:在适筋条件下,SMA配置数量越大,残余位移越小,复位能力越强;相同条件下,SMA筋超过塑性铰长度后,对节点性能影响不大;适筋条件下,提高SMA筋的屈服强度会提高节点的承载能力以及自复位能力。     

O型钢板-高阻尼黏弹性复合型消能器的力学性能试验与分析

提出了一种由O型钢板金属阻尼器与高阻尼黏弹性阻尼器并联而成的复合型消能器,阐述了其构造形式和工作机理,对其进行了低周反复加载试验。研究结果表明:复合型消能器具有较强的变形能力和饱满的滞回曲线;其力学性能稳定,受加载频率影响较小;该消能器兼具位移型阻尼器与速度型阻尼器的优点,小变形时,黏弹性阻尼器发挥主要的耗能作用,O型钢板金属阻尼器提供一定的附加刚度,大变形时,二者共同耗能;相比单一类型的消能器,该复合型消能器提高了阻尼力和抗震安全储备;采用Bouc-Wen模型建立了该消能器的力学模型,计算结果与试验结果吻合较好。     

装配式自复位耗能支撑恢复力模型与试验验证

提出一种装配式自复位耗能（ASCED）支撑,该支撑主要由核心杆、外管、摩擦耗能系统和碟簧复位系统组成。对ASCED支撑在低周往复荷载作用下的工作原理及力学性能进行了介绍,基于经典的Bouc-Wen模型建立了ASCED支撑的恢复力模型。设计并加工了一长为1.2 m的ASCED支撑试件,对其进行了拟静力试验,研究了支撑滞回特性、耗能能力、残余变形等性能。结果表明在低周往复荷载下支撑的摩擦耗能系统与碟簧复位系统能有效的共同工作,呈现出饱满的旗形滞回曲线,具有稳定的耗能能力和良好的自复位性能。恢复力模型计算得到的支撑滞回曲线与试验结果吻合较好,残余变形接近,表明所建立的恢复力模型能够准确描述ASCED支撑在低周往复荷载下的滞回特性及自复位性能。     

自复位全钢型防屈曲支撑的工作原理与滞回特性研究

该文提出一种新型自复位全钢型防屈曲支撑(SC-SBRB),主要由防屈曲耗能系统和预压组合碟簧自复位系统并联组成。对其基本构造和工作原理进行了介绍,建立了能够准确描述支撑滞回特性的恢复力模型。采用ABAQUS有限元软件建立了具有不同设计参数的4个SC-SBRB实体模型,研究了支撑在低周往复荷载作用下的滞回特性及复位性能,并与恢复力模型计算结果进行了对比分析。结果表明,低周往复荷载作用下,SC-SBRB的滞回响应呈现稳定饱满的类“旗形”特征,建立的恢复力模型能够准确地预测支撑各阶段的力学性能。SC-SBRB的自复位性能随碟簧初始预压力的增大而逐渐得到发挥,残余变形同步减小。当复位率达到1.0时,支撑最大残余变形率为0.039%,复位性能和耗能能力匹配合理。