SMA滑动摩擦阻尼器的数值模拟及参数分析

该文将超弹性形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)螺栓和摩擦斜面结合,提出一种SMA滑动摩擦阻尼器(SMA slip friction damper,SMASFD)。介绍了SMASFD的基本构造和工作原理,给出描述滞回行为的理论公式,开展了概念验证试验,建立了三维实体单元有限元模型。试验数据和分析结果均表明,采用合理设计的斜面倾角和摩擦系数,阻尼器可展示出“旗帜形”滞回曲线,拥有良好的耗能能力和优越的自复位能力,并且理论公式和模拟结果均与试验数据吻合良好。基于已经验证的有限元模型,建立了6个额外的有限元模型进行参数分析,关键参数包括斜面倾角、摩擦系数和SMA螺栓的预紧力。参数分析结果表明：阻尼器的非线性变形集中于SMA螺栓内,其他部件保持弹性;增大斜面倾角可提高阻尼器的强度、割线刚度和耗能能力;当接触面间的摩擦系数较大时,阻尼器的耗能能力得到提高,但是超过上限值会导致阻尼器无法自复位;对SMA螺栓施加预紧力可提高阻尼器的初始刚度和割线刚度,但是会降低阻尼器的最大变形能力。     

SMA滑动摩擦阻尼器的数值模拟及参数分析

建筑结构消能减震优化设计是通过调整消能减震装置在结构中的布设位置和布设数量,以满足不同水准地震作用下结构受力变形需求。该文将形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)和摩擦材料相结合,提出了一种新型自复位SMA阻尼器,将其布设于框架结构中以降低结构的地震响应。以四水准抗震设防目标下结构峰值层间位移角为约束条件,建立了基于循环迭代法和回溯搜索优化算法的两阶段结构减震优化设计方法。第一阶段通过在结构中逐次增设阻尼器数量开展循环迭代,寻求结构中阻尼器使用总数量;第二阶段使用基于全局搜索机制的回溯搜索优化算法开展二次优化计算。通过上述方法对9层Benchmark钢框架结构进行了减震优化设计,结果表明：所提出的两阶段减震优化设计方法可得到经济合理的阻尼器布设方案,优化后结构各楼层层间位移角沿楼层分布更为均匀,在阻尼器总数量最小的情况下保证减震结构在地震作用下可满足预设的层间位移角限值。     

粘弹性阻尼器的计算模型

本文介绍了粘弹性阻尼器的构造与性能,以及目前普遍用于分析粘弹性阻尼器的五种计算模型,提出了一种能够体现温度和频率影响的新计算模型—等效标准固体模型,然后通过实例分析,得出有关结论。     

Ti-Ni形状记忆合金环超弹阻尼器的阻尼特性研究

应用Ti-Ni形状记忆合金环作耗能元件设计了一种新型的阻尼器,介绍了Ti-Ni合金环的制备及热处理工艺,并测试了其力学性能.分析了加载卸载过程中力-位移曲线与环内应力的关系.当无档板对Ti-Ni合金环进行横向约束时,由于环内的应力没达到应力诱发马氏体相变的临界应力,表现为线弹性,并且回复力非常小.当档板对环施加水平约束,出现滞迟耗能.随着位移的增加,回复力和滞迟环的面积都大幅度增加,滞迟环形状发生变化.小位移时,滞迟环为透镜状,当位移达到一定值时,滞迟环为倒三角形.倒三角形的滞迟环与双折线形滞迟环相比,在振动控制过程中具有更好的阻尼效果.     

磁流变阻尼器的非线性参数模型

根据磁流变阻尼器阻尼力特性的试验结果，建立了非线性参数模型。该力学模型由改进的Bingham单元（库仑摩擦单元与非线性粘滞单元并联）、非线性弹簧单元和质量单元串联而成。非线性参数模型能够很好地模拟阻尼力的滞回特性，对小速度时的阻尼力-速度关系也能很好地描述。模型中各参数物理意义明确，参数理和口描述了阻尼力分别与速度和位移的非线性关系。     

超弹性形状记忆合金的神经网络连续本构模型

对超弹性形状记忆合金(SMA)丝在不同应变幅值和荷载速率下进行加卸载单轴拉伸试验,分析其滞回特性随环境因素的变化规律。将径向基函数神经网络(RBFNN)和Graesser模型结合起来,Graesser模型参数取自试验曲线,能由数学式确定的模型参数和应变幅值、荷载速率一起作为网络的输入信息,不能由数学式确定的模型参数作为输出神经元。数值计算表明,RBFNN可以精确地预测Graesser模型参数,且计算的SMA应力-应变曲线与Graesser模型结果吻合很好。     

基于SMA阻尼器的古塔模型结构振动台试验研究

针对某古塔结构的主要受力和变形特点,并遵循“保护第一”和“修旧如旧”的古建筑保护原则,设计了3种SMA阻尼器,提出了将其安装于古塔结构以提高其抗震性能的保护方案,探讨了SMA阻尼器的安装方式及确定其数量的计算方法,并进行了装有SMA阻尼器的古塔模型结构振动台试验。试验结果表明,文中所提SMA阻尼器可有效地提高该古塔结构的抗震能力,且对其他历史建筑的保护和修复也具有一定的参考意义。     

形状记忆合金超弹性本构关系的神经网络模型

通过试验，研究了受过循环变形、具有稳定超弹性变形性能的形状记忆合金丝在拉伸到不同应变幅值条件下卸载的超弹性变形行为。根据试验测得的结果，提出了基于神经网络的形状记忆合金超弹性本构关系模型，并把模型计算的结果和实验数据进行了比较分析，结果表明，该模型具有很高的精度。该模型避免了已有模型在参数确定上的困难，具有一定的工程应用价值，为建立形状记忆合金本构模型提供了一个新的思路。     

结构地震响应监测与控制的形状记忆合金（SMA）智能系统

利用形状记忆合金的超弹性特性和应变自感知特性，开发了sMA阻尼器／位移传感器，集成结构振动控制与监测智能系统，安装在结构层间抑制结构地震响应，同时监测结构响应，为地震后结构快速安全评定提供数据。文中首先对奥氏体状态SMA的超弹性特性和应变自感知特性进行了详细的试验研究；然后详细阐述了SMA阻尼器／位移传感器的构造设计；最后将SMA阻尼器／位移传感器安装在结构模型上进行了振动台试验，验证了该装置的有效性。     

粘弹性阻尼器温频影响效应的计算模型及结构分析

本文根据粘弹性阻尼器的力学性能，提出了一种能够体现温度和频率影响的新计算模型-等效标准固体模型，然后通过对9050A材料和一加有粘弹性阻尼器的建筑结构进行实例分析，得出有关结论。     

超弹性TiNi记忆合金螺旋弹簧的滞回性能实验研究

通过滞回性能实验研究了大尺寸Ti Ni形状记忆合金(Ti Ni SMA)螺旋弹簧用于结构振动控制的可行性。利用两种Ti Ni合金制作了大尺寸超弹性螺旋弹簧试件。对Ti Ni弹簧试件进行了单轴反复荷载作用下的力学实验,获得了其在不同加载条件下的恢复力-位移曲线。分析了不同循环加卸载次数、加载频率、位移幅值对两种Ti Ni弹簧的滞回环及等效刚度、单位循环耗能、等效阻尼比和残余位移4个力学参数的影响。研究结果表明,超弹性Ti Ni弹簧可提供较大的恢复力、位移以及稳定的复位性能,并具有一定的耗能能力,在工程结构自复位振动控制中具有较好的应用潜力较好。     

基于形状记忆合金的X形板阻尼器的力学模型

根据超弹性形状记忆合金（SMA）的分段线性化本构关系,建立了X形SMA板式阻尼器的力学模型;通过MATLAB程序进行数值模拟,绘制了X形SMA板的阻尼力滞回曲线,并研究了位移幅值、温度、形状尺寸对阻尼器基本特征参数（等效割线刚度、单位循环消耗的能量、等效阻尼比）的影响。结果表明：X形SMA板式阻尼器具有“旗帜”形的滞回曲线,耗能较小,但复位能力好;随位移幅值增加,耗能力和等效阻尼比增加,等效割线刚度降低,温度的影响与此相反;阻尼器的特征参数随板高增加均呈降低趋势;增加板宽,单位循环耗能与等效割线刚度增加,而等效阻尼比不变。研究结果为X形SMA板式阻尼器的设计和工程应用提供了理论依据。     

Tensile behaviour of superelastic NiTi alloys charged with hydrogen under applied strain

ABSTRACT

The tensile behaviour of NiTi alloys is investigated after hydrogen charging during the austenite, half-transformation and martensite phases. The specimens are charged with different current densities and charging durations. During the tensile tests, the strain of the plateau transformation decreases due to hydrogen-induced residual martensite variants. This decrease becomes important when the charging happens during the martensite phase. Accordingly, the hydrogen ensures the stability of the phase in which the charging process occurs. Moreover, a heightening of transformation stress is noticed during the plateau. The transformation stress increases when the current density grows and the charging duration rises. This occurrence is caused by the interaction between the hydrogen and NiTi structures, where hydrogen delays the NiTi martensite transformation.

This paper is part of a thematic issue on Hydrogen in Metallic Alloys     

基于塑性理论的形状记忆合金本构模型、试验和数值模拟

通过拉伸试验,研究了超弹性形状记忆合金（SMA）丝在不同应变幅值反复加卸载条件下的滞回变形行为。在测得试验数据的基础上,针对目前广泛使用的SMA Graesser＆Cozzarelli模型仅描述了小应变情况下SMA特性,而在大应变下SMA马氏体的硬化特性不能得到描述的问题,提出了修正的SMA本构模型,并把模型拟合结果和实验数据进行了比较分析。结果表明,模型数值拟合结果和试验数据吻合很好,可以很好地描述SMA在不同应变幅值下的应力-应变关系;且模型形式简单,概念明确,参数容易得到,具有一定的工程应用价值。     

我国形状记忆合金研究与应用的新进展

综述了我国形状记忆合金研究与应用的新进展,重点介绍了TiNi合金、铜基合金和铁基合金的进展情况,并对我国形状记忆合金的将来发展方向进行了评述.     

TiNi形状记忆合金的工程应用研究现状和展望

综合评述了TiNi形状记忆合金的特性及其在工程结构方面的应用研究进展.着重介绍了TiNi合金形状记忆效应和超弹性的特点及其工程意义,论述了TiNi合金在用于制作驱动器、控制结构变形和开裂、结构振动主动和被动控制以及在耐磨损、抗冲击方面的应用研究现状,并就该研究领域的发展方向提出了一些建议.     

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。     

形状记忆合金短纤维增强弹塑性基体复合材料的力学行为

基于Eshelby等效夹杂方法和Mori-Tanaka的平均化理论推导了针对SMA短纤维增强弹塑性基体复合材料的细观力学模型。利用此模型,分析了这种复合材料的力学行为,讨论了材料温度、纤维体积分数和纤维特征形状等参数对复合材料残余应力和残余应变的影响。这对复合材料的分析和设计都有重要的意义。