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.     

新型高阻尼黏弹性阻尼器性能试验研究

设计制作3个高阻尼黏弹性阻尼器,对其进行变形相关性和频率相关性的性能试验、疲劳性能试验及老化性能试验,以最大剪应力、存储剪切模量和等效黏滞阻尼比为指标研究阻尼器的性能规律,采用通用Bouc-Wen计算模型模拟其滞回曲线,并对比模拟结果和试验结果。研究结果表明:该阻尼器滞回曲线饱满、力学性能稳定,具有较强的耗能性能和大变形能力,抗疲劳性能和抗老化性能良好。变形对该新型高阻尼黏弹性阻尼器力学性能指标的影响明显,加载频率对其影响较小。Bouc-Wen模型的模拟结果与试验结果吻合良好。     

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。     

形状记忆合金阻尼器消能减震体系的控制研究

利用奥氏体SMA丝的超弹性和阻尼特性,设计了一种新型的SMA阻尼器,试验研究了该阻尼器在循环荷载作用下的力学性能,建立了基于塑性理论的一维理论模型,并对其力学性能进行了数值模拟.采用能量平衡方法对SMA阻尼器消能减震体系的参数进行了优化,给出了消能部件参数建议取值范围.最后以一幢十层剪切型钢框架结构为算例,分析了SMA阻尼器的减震效果.结果表明:该阻尼器具有良好的滞回耗能能力,能很好地控制结构的位移反应,适用于工程结构的抗震设计和加固.     

新型自复位黏弹性阻尼支撑力学性能研究

提出了一种新型的自复位黏弹性阻尼支撑(self-centering viscoelastic damping brace,SCVEDB),该支撑利用形状记忆合金的拉伸变形和黏弹性材料的剪切变形共同耗散能量,同时利用形状记忆合金的超弹性特性复位。设计和加工了SCVEDB最基本的模型,对该支撑试件进行了循环往复荷载作用下的力学性能试验,研究了位移幅值、加载速率、SMA丝数量、黏弹性材料的厚度对其性能的影响,同时通过割线刚度、耗散能量、等效阻尼比、自复位比4个参数量化分析了SCVEDB的力学性能。对SMA丝进行了循环拉伸试验,利用OpenSees平台建立了SMA的材料本构数值模型,然后将其与模拟黏弹性材料的Bouc-Wen模型并联,建立了该支撑的力学模型,进而模拟了支撑的力学性能,数值模拟结果与试验结果吻合较好。     

带黏弹性阻尼器结构振动台试验数值模拟

该文利用Open Sees对一座三层带黏弹性阻尼器钢框架结构进行振动台试验的数值模拟,以此验证黏弹性阻尼器力学模型及分析方法的正确性。首先介绍了振动台试验,总结了黏弹性阻尼器耗能特征及减震效果;然后利用Bouc-Wen模型模拟黏弹性阻尼器的力学性能,在Open Sees中进行非线性动力时程分析模拟振动台试验;最后将数值模拟结果和试验结果进行对比分析。结果表明,模拟结果和试验结果在结构动力特征和结构响应上均吻合良好,因此验证了黏弹性阻尼器力学模型及分析方法的正确性。     

具有复阻尼特征板式变摩擦阻尼器滞回性能研究

为使减震装置具有复阻尼特征,提出一种板式变摩擦阻尼器。基于静力平衡条件推导了根据阻尼器几何、物理参数确定其滞回模型的理论公式,采用非线性有限元对阻尼器在静力往复作用下的滞回曲线进行了模拟,通过低周往复试验进行了阻尼器滞回性能试验研究,基于上述方法对影响滞回性能的关键参数进行了研究。研究结果:该阻尼器的滞回曲线为位于一、三象限、关于原点对称的三角形,理论公式和数值模拟得到的滞回曲线与试验数据吻合得较好,影响阻尼器滞回性能的关键因素是弹簧刚度、2个摩擦因素和1个角度。结果表明该阻尼器的滞回曲线具有明显的复阻尼特征,滞回模型的理论公式和数值模拟结果可用于指导此类阻尼器的设计。     

新型双重自复位摩擦阻尼器试验及数值模拟

为提升阻尼器的复位性能,提出了由复位弹簧与形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)组成的双重复位驱动体系,设计了新型双重自复位摩擦阻尼器,概述了其构造及工作原理。通过往复加载试验,考察了预紧力、加载位移幅值及复位弹簧组件刚度对阻尼器复位性能及耗能性能的影响;确定了阻尼器简化力学模型并进行数值模拟分析。结果表明：增大预紧力虽能提高阻尼器耗能性能,但同时增大了残余变形率;在预紧力和加载位移幅值较大的情况下,双重复位体系对阻尼器卸载后残余变形率的降低更加显著,有利于提升有高耗能需求的阻尼器的复位性能;简化力学模型与OpenSees有限元模拟得到的阻尼器滞回曲线、力学性能参数与试验结果吻合程度较高,验证了力学模型的准确性。通过有限元模拟分析了各功能部件对阻尼器整体性能贡献,分析结果反映了摩擦耗能装置对阻尼器整体耗能性能的贡献较好,并且复位弹簧对阻尼器复位性能的贡献随着预紧力的增大而愈加明显。     

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。     

高效耗能阻尼器性能试验及理论研究

研发一种高效耗能新型阻尼器,对其进行不同位移幅值和加载频率下的力学性能试验,研究阻尼器的滞回耗能性能和位移频率相关性。根据该新型阻尼器构造特点及工作原理,建立力学分析模型,并对附加该阻尼器的建筑结构在地震作用下的动力响应进行分析。研究结果表明:相对于普通黏滞阻尼器,新型阻尼器阻尼力有显著提升,滞回曲线更加饱满,表现出更强的耗能性能;力学性能的位移频率相关性明显,阻尼力随加载位移频率的增大而增大;速度-力、位移-力试验曲线均与理论曲线吻合较好,力学分析模型合理;可减小结构自身黏滞阻尼耗能和滞回耗能,降低结构动力响应。     

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。     

斜拉索-形状记忆合金耗能减振系统动力特性和模态分析

提出了斜拉索-形状记忆合金(Shape Memory Alloy．简称SMA)耗能减振系统．首先得到了单振型振动的斜拉索-SMA耗能减振系统附加阻尼比的解析解．研究了SMA耗能减振器参数及其安装位置对附加阻尼比的影响；通过数值计算．分析了一个模型斜拉索-形状记忆合金耗能减振系统受迫振动的动力反应．研究了SMA耗能器的减振效果。结果表明：SMA耗能器能够有效减小斜拉索前几阶振型的振动．其减振效果与SMA耗能器的参数及其安装位置有关。     

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。     

形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器对偏心结构振动控制的研究

采用自行研制的SMA-摩擦串联复合阻尼器控制偏心结构的平扭耦联振动。SMA-摩擦串联复合阻尼器能根据结构的地震响应自动调节耗能单元工作状态,且构造简单、经济实用。建立了SMA-摩擦串联复合阻尼器控制下偏心结构在双向水平地震作用下的运动方程,并编写程序计算结构的时程响应。以一六层剪切型偏心钢框架为例,计算结果表明：合理布置的阻尼器能有效抑制结构质心位移和质心层间位移,且对扭转振动的控制效果更佳;阻尼器对结构质心平移加速度的影响不大,但显著改变了扭转加速度。     

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。     

单自由度SMA阻尼结构在高斯白噪声激励下的平稳随机振动分析

设计了一种超弹性形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)阻尼器。在SMA丝的Graesser本构模型基础上, 建立了SMA阻尼器的常规力学模型, 进而提出了其简化力学模型。采用随机等价线性化法建立了单自由度SMA阻尼结构在高斯白噪声激励下的平稳随机振动分析公式。算例比较了随机等价线性化法和蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟法计算的结构振动响应, 证明了随机等价线性化法的有效性;比较了无控结构和SMA阻尼结构的动力特性和振动响应, 说明了SMA阻尼器能增加结构的刚度和阻尼比, 因而可有效抑制结构的振动。     

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。     

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。     

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。