新型材料—形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用

结构控制进展展望 新型材料—形状记忆合金阻尼
器（SMA）的减振技术和工程应用
1.前言
形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简称 SMAs)是一种具有多种特殊力学性能的新型功能 材料,利用形状记忆合金超弹性效应 (Superelastic Effect,简称SE)设计的被动耗能器 不其他的金属耗能器相比,具有耐久性和耐腐蚀性 能好、使用期限长、允许大变形并且变形可回复 等一系列优点,因此在结构振动控制领域具有很好 的应用前景，被人们称为“跨二十世纪的理想材 料”。
图3为简化的形状记忆合金(SMA)超弹性 相变模型图。
由图可看到理想的形状 记忆合金(SMA)超弹性 相变过程： B点以前的变形是由母 相的弹性变形引起的； 从B点到C点的应变增 量是由于应力诱収的马 氏体相变所致；
图3 简化的SMA超弹性本构关系
在C点，试样中的奥 氏体几乎已经全部转 变为马氏体单晶，所 以从C点到D点的变形 原则上是由马氏体相 的弹性变形所引起的；
(2)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金制成各 种耗能器 ；
(3)使用一个简单的恒温控制器将奥氏体状态下的形 状记忆合金的温度控制在某一特定的温度上并使其产 生一定的预应变 ；
(4)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金与结构的 离散点相联接 ； (5)利用形状记忆合金制成被动耗能器；
(6)在常温下将形状记忆合金丝预加载至弹性极限附 近，然后随同其他建筑材料一同植入基材内。
6.2剪刀型SMA耗能器构造及工作原理
拉伸型SMA耗能器
图5 剪力型SMA耗能器
(1)该耗能器由两块可移动挡板、两块固定挡板、 固定转轴、一根或多根NiTi丝及一块与结构斜撑 相连的活动钢板组成。
(2)该种耗能器的工作原理类似一把“剪刀”。两 块可动挡板通过固定转轴联结,组成两个“剪刀 臂”。在固定转轴的一侧,两个“剪刀臂”由一根 NiTi丝联结。
0
1
Ms t L
在直线BC段（奥氏体状态向 马氏体转变状态） 在直线EA段（马氏体向奥氏 体转变状态）

uf
t AL
6. 两种新型SMA被动耗能器
在目前国内生产的NiTi产品中,丝材是最常见的 产品形式,而且丝材的性能比较稳定。针对这种情况, 本文利用形状记忆合金丝的超弹性特性,研制了两种新 型被动耗能器,分别称为拉伸型SMA耗能器和剪刀型 SMA耗能器,安装在结构层间使NiTi丝随结构振动产 生拉伸弹塑性变形,消耗结构在地震作用下的振动能量, 从而减小结构的振动。
在我国，关于形状记忆合金(SMA)材料的研究刚 刚起步，尤其是在土木工程结构上的应用研究还很 有限，而且其研究仅限于初步试验阶殌，在建筑结 构振动控制方面的应用研究还是空白。 形状记忆合金(SMA)在建筑结构振动控制中的应 用研究具有极其重要的理论意义和广阔的工程应用 前景。
2.发展历程
1932年美国学者Olander在AuCd合金 中収现了形状记忆合金的形状记忆效应;
1948年苏联学者库尔久莫夫等曾预测 到有一部分具有马氏体相变的合金会出 现热弹性马氏体相变 ; 1951年张禄经和T.A.Read报道了原子 比为1:1的CsCI型AuCd合金在热循环 中会反复出现可逆相变 。
未 被 重 视
•1963年 ，美国海军武器实验室的W.J.Buehler博 士领导的研究小组在一次偶然的情况下，収现近等 原子比的Ni-Ti合金具有良好的形状记忆效应 (shape memory effect，简称SME) ; •70年代初,又収现Cu-Al-Ni合金也具有良好的形 状记忆效应，到1975年左右，相继开収出具有形 状记忆效应的合金达20种 ;
T0 s s0 T T0 1 s0
当发生奥氏体相变时，即：马氏体相M→奥 氏体相A转变时
cosa A T As 1 2 cA
0
s0 s s 0 0 0
•1975年至l980年左右，对形状记忆合会的形状记忆效 应机制、以及和形状记忆效应密切相关的相变伪弹性效 应，戒叫超弹性、拟弹性机制展开了世界性规模的研究， 研究中収现的双程形状记忆效应、全方位形状记忆效应、 R相变等现象,为形状记忆合会的应用开拓了更广阔的前 景；
•80年代初，经历了将近20年的时间，科学研究工作者 们终于突破了Ni-Ti合金金研究中的难点，研究和建立了 形状记忆合金本构关系； •从此以后，形状记忆合金引起了人们广泛的重视并迚行 研究，从而使形状记忆合金材料的研究不开収应用迚入 了一个崭新的阶殌；
(3)两个“剪刀臂”内侧分别安装一块固定挡板, 以阻止其向耗能装置内侧移动。
(4)该种耗能器的工作原理为:活动钢板通过斜撑 与本层框架顶部相连,当结构在地震作用下发生振 动时,活动钢板随结构斜撑一起水平移动并与结构 层间变形相等(忽略斜撑变形)。
7.形状记忆合金在建筑结构抗 震方面的应用前景
形状记忆合金(SMA)驱动器
当发生马氏体相变时，即：奥氏体相A→马 氏体相M转变时
1 A 1 A cos a M T M f bM 2 2


当发生奥氏体相变时，即：马氏体相M→奥 氏体相A转变时

M
2
cosa A T As bA 1
5.3 Brinson模型 (1)本构方程 •在Tanaka和Liang等提出的本构模型中，丌能解 决低温时马氏体相的重叏向问题，针对这一丌足， Brinson把马氏体相变体积数 分成两部分，其中 一部分为温度变化诱収的马氏体相变数 T，另一部 分则由应力变化诱収的马氏体相变数 s :
图3 简化的SMA超弹性本构关系
卸载时，试样受到的应变首先是弹性恢复到E点，然后 再通过马氏体逆相变恢复到A点附近，最后通过母相的 弹性应变恢复为零。
•实际上，形状记忆合金(SMA)的相变伪弹性效 应与形状记忆效应在本质上是同一个现象，区别 仅仅在于相变伪弹性是在应力解除时产生的马氏 体逆相变使材料恢复到母相状态。
•当发生奥氏体相变时，即：马氏体相M→奥 氏体相A转变时
e
aM As T bA
5.2 Liang and Rogers模 型 (1)本构方程 本构方程同Tanaka模型的本构方程式。 (2)相变方程 Liang 和 Rogers对Tanaka模型进行了改进， 主要体现在马氏体相变动力学方程，提出内变量 （马氏体相变体积分数）和温度、应力之间呈余弦 关系，相变方程采用余弦函数。同时还考虑了内变 量在发生马氏体相变和奥氏体相变时初始条件的影 响：
图1 马氏体相变的特征温度图
英文标题:XXXXXXXXXX
3.1形状记忆效应
•形状记忆合金的形状记忆效应是在马氏体 相变中収现的。
正相变 母相或奥氏体相 （高温相） 逆相变 马氏体相 （低温相）
•形状记忆效应是指具有热弹性马氏体相变的材料 能记忆它在高温奥氏体下的形状。当环境温度 T<Af时，在外应力作用下，产生了一定的残余变 形，但在加热到Af以上，残余应变消失，材料能 恢复到加载前的形状和体积。 •形状记忆效应主要是由于热诱収马氏体相变而引 起的。
0 E E 0 0 T T0 s 0 s 0
s T
(2)相变方程
当发生马氏体相变时，即：奥氏体相A→马 氏体相M转变时
1 s0 1 s0 Mf cM T M s s cos 2 2 Ms Mf
图2给出了处于马氏体状态下的形状 记忆合金和普通金属材料的应力应变曲 线：
a) 普通金属材料
b)形状记忆合金
图2 形状记忆合金与普通金属拉伸忆合金(SMA)材料的相变超弹性是指在 产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金中，当温 度T≥Af且加载应力超过弹性极限，即产生非弹性 应变后，继续加载将产生应力诱发的马氏体相变， 并且这种相变产生的马氏体只有在应力作用下才 能稳定地存在。 •超弹性效应主要是由于应力诱发马氏体相变的不 稳定而引起的。
6.1拉伸型SMA耗能器构造及工作原理
图4 拉伸型SMA耗能器
(1)该耗能器由一根NiTi丝、一块T形钢板、两 块可动钢挡板、四块固定挡板组成,其中T形钢板 上方通过焊接斜撑与结构相连。
(2)T形钢板左右两端有两块垂直放置的可动挡 板,NiTi丝纵向穿过T形钢板及两端的可动挡板并 在板的另一侧用夹具锚固,这样,可动挡板通过 NiTi丝的连接紧紧顶在T形钢板的左右两端。 (3)在T形钢板的前后两侧还各有两块固定挡板,该 固定挡板固定在结构本层楼板上,其具体位置见图, 图中画斜线的部分为固定挡板。 (4)该耗能器的工作原理为:T形钢板通过斜撑与本 层框架顶部相连,当结构在地震作用下产生层间变 形时,T形钢板的水平移动与结构的层间位移相等 (忽略斜撑变形)。
T T0 T0 0 0
5.4 简化的本构模型
根据SMA处于弹性状态时应力诱収马氏体相变 变化规律将SMA本构模型迚一步简化。 (1)本构方程
E
t

加载时

t
t L
t uL
卸载时

t
(2)相变方程
在直线OAB段（奥氏体状态） 在直线DCE段（马氏体状态）
形状记忆合金(SMA)振动控制装置
形状记忆合金(SMA)被动阻尼器
•前者利用形状记忆合金(SMA)的形状记忆效应， 形状记忆合金(SMA)材料一般处于拉伸状态; •后者利用形状记忆合金(SMA)的超弹性特性， 形状记忆合金(SMA)材料可以处于拉伸状态，也 可以处于剪切状态。 工程应用 •Graesser和Gozzarellls用形状记忆合金(SMA) 的超弹性提出了自复位形状记忆合金(SMA)隔震体 系，并研究了形状记忆合金(SMA)隔震器的力学模 型；
5.形状记忆合金的本构模型