一种板式SMA-摩擦复合阻尼器滞回性能试验研究

屈俊童 卢 飞

（云南大学建筑与规划学院，昆明650504）

0 引 言

形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）是一种具有形状记忆效应、超弹性、高阻尼、耐腐蚀和生物相容等优良特性的新型合金材料［1］，目前广泛应用于电器、电子、医疗、机械和航空等领域。形状记忆合金以其超弹性、高阻尼力等特性被引入到结构减振控制领域［2］。

尤其是在结构减振被动控制领域，国内外不少学者相继研制了多种形式的SMA 阻尼器。Robery K 等［3］研制出一种在可相互错动的圆柱上缠绕多股超弹性NiTi SMA 丝的SMA 中心引线（CT）型阻尼器；Dolce 等［4］利用 SMA 的超弹性和高阻尼特性，提出了一类自复位SMA 阻尼器；邢德进和李忠献［5］设计提出一种新型随温度阻尼力可变的智能SMA 阻尼器；任文杰和李宏男［6］设计了一种筒式SMA阻尼器，利用两端SMA合金丝交替拉伸而耗能；薛素泽等［7］以及彭刚等［8］也提出了两种不同形式的新型SMA阻尼器。

然而由于SMA 材料自身的原因，耗能有限且价格较高，难以广泛应用于工程实际中［9-12］。本文参考周云基于“多种耗能机制共同耗能”［13］的思想，提出一种板式SMA-摩擦复合阻尼器，并对该阻尼器进行力学性能试验研究。

1 阻尼器构造及工作原理

1.1 阻尼器构造

板式SMA-摩擦复合阻尼器的构造如图1 所示，由主板1、上下副板 2、石棉板3、直径 1mm 的超弹性SMA 合金丝4、限位圆棒5、U 形活动凹槽6、夹具7、M14 高强螺栓8、预留螺栓孔9、端盖板10 和连接板 11 组成。在主板 1 及上、下副板 2 之间嵌入石棉摩擦板3，主板1 和摩擦板3 采用环氧树脂胶粘在一块，主板1 和上、下副板2 上分别留有M14 高强螺栓孔9 以及U 形活动凹槽6，主板1与上、下副板2 间的预压力通过扭矩扳手扭紧M14高强螺栓8施加，并采用二保焊将盖板8焊接在上、下副板2 上，在两根限位圆棒5 外侧缠绕4根超弹性SMA 丝4，并通过夹具7 固定，通过改变U 形凹槽6、限位圆棒5 之间的间距，可调节阻尼器的初始刚度以及阻尼力。并对阻尼器进行镀锌处理，提高阻尼器的耐腐蚀性能。

图1 SMA-摩擦阻尼器构造简图Fig.1 Structure diagram of the SMA-friction damper

1.2 工作原理

板式SMA-摩擦复合阻尼器的工作原理如图2 所示。在拉压循环加载作用下，当阻尼器受拉时，随着位移荷载的增大，摩擦板3与上、下副板2间的摩擦力逐步超过其最大静摩擦力而产生滑动摩擦而耗散能量。同时，由于主板1 和上、下副板2 的相对滑动，主板带动一侧限位圆棒5 运动，而另一侧限位圆棒5 被上、下副板2 阻挡，从而使超弹性SMA 丝4 拉伸，提供阻尼耗能。上述两种耗能模式共同作用，达到复合耗能减振的目的。当阻尼器受压时，工作原理与受拉状态下一致。

图2 阻尼器工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of working principle of the damper

1.3 功能特点

该复合耗能阻尼器兼具SMA 阻尼器与摩擦阻尼器的优点：①出力明晰、构造简单、制作维护方便；②耐腐蚀及抗疲劳性能良好；③利用摩擦板和SMA 协同工作，耗能能力良好；④初始刚度、阻尼力可调节，可满足不同使用情况的需求。可广泛应用于结构减振控制领域。

2 力学试验

2.1 试验概况

按照上述要求加工制作了该板式SMA-摩擦复合阻尼器实验试件，如图3所示。阻尼器的主、副板长600 mm，采用四根直径1 mm NiTi SMA丝，缠绕于两根限位圆棒的外侧，两块石棉摩擦板尺寸250 mm×80 mm×20 mm，阻尼器最大位移行程±20 mm。特制夹持器如图4（a）所示，通过夹持器将阻尼器固定在试验机上，装配图如图4（b）所示。

采用TY8000±100 kN微机控制电子伺服万能试验机（试验机的力传感器量程为100 kN，精度为0.5%）进行阻尼器的拉压循环加载试验，通过夹持器将阻尼器固定在试验机上，试验装置如图5 所示，试验过程由Pulse Command 系统位移控制，力和位移的值由试验机自带传感器测得，数据通过RS232 传输。参考相关循环拉压加载试验，拟定如下的试验加载工况。

（1）工况1：加载速率为5 mm/min，位移幅值依次取10 mm、15 mm、20 mm，循环加载3次。

（2）工况2：位移幅值为10 mm，加载速率依次取 5 mm/min、10 mm/min 和 15 mm/min，循环加载3次。

图3 新型SMA-摩擦复合阻尼器Fig.3 New SMA-friction damper

图4 夹持器及装配图Fig.4 Holder and assembly drawing

图5 试验设备Fig.5 Experimental installation

2.2 力学参数选取

为了分析阻尼器在上述试验加载方案下的力学性能，选取如下三个参数：

（1）单位循环消耗能量W，即单位循环滞回曲线面积，揭示阻尼器耗能能力的大小。

（2）割线刚度K，表达式如下：

式中：Fmax、Fmix为阻尼器的最大、最小输出力；Dmax、Dmix为阻尼器最大、最小输出位移。

（3）等效黏性阻尼系数ξeq，揭示阻尼器的阻尼能力，计算公式如下：

3 试验结果分析

图6 为加载速率5 mm/min，不同位移幅值下阻尼器的滞回曲线；图7 为位移幅值10 mm，不同加载速率下阻尼器的滞回曲线。由图6 和图7 可知：新型SMA-摩擦复合阻尼器在循环加载作用下滞回曲线稳定，耗能性能优良，并且随着位移幅值的增大，滞回曲线趋于饱满，单位循环滞回曲线的面积增大。随着加载速率的增大，滞回曲线环向斜上方或斜下方延伸，但滞回曲线所包围的面积无明显变化。

图6 工况1下阻尼器的滞回曲线Fig.6 Hysteretic curve of damper under condition 1

图7 工况2下阻尼器的滞回曲线Fig.7 Hysteretic curve of the damper under conditional 2

阻尼器在加载速率5 mm/min 时，达到各位移幅值下的平均力学参数如表1 所示。由表1 分析可知，新型阻尼器表现出位移相关性，循环耗能随着位移幅值的增大而增大，由542.0 N·m 增大到了1 582.6 N·m，其值与位移幅值具有一定的线性相关性，割线刚度由10 mm 时的3.2 kN/mm 减到20 mm 时的1.4 kN/mm，等效黏性阻尼系数在位移幅值10 mm 时最小，随幅值增大由2.69%增大到4.49%，阻尼器呈现出较好的阻尼能力。

表1 工况1下阻尼器的平均力学参数Table 1 Average mechanical parameters of the damper under condition 1

阻尼器在工况2，即位移幅值10 mm 时，不同加载速率下阻尼器的平均力学参数如表2 所示。由表2 可知，不同于位移幅值对阻尼器循环耗能的影响，循环耗能能力随着加载速率的增大而减小，其值由由542.0 N·m 减小到528.4 N·m，减小了约4.2%；割线刚度随着加载速率的增大而增大，割线刚度由3.2 kN/mm 增大到4.0 kN/mm，增大约25%；等效黏性阻尼系数在加载速率为5 mm/min时最大，随着加载速率增大，其值减小，由式（2）分析可知，位移幅值一定，即Dmax一定时，等效黏性阻尼系数与W成正比，与K成反比，W减小，K增大，等效黏性阻尼系数必定减小，同理，由分析式（2）可知：阻尼器K和Dmax一定时，增大阻尼器的W可提高阻尼器的等效黏性阻尼系数，而W的大小由图7 可知，加载平台与卸载平台间的差值越大，滞回曲线围成的面积也就越大，即W越大，而加、卸载平台距离大小与SMA 拉伸耗能及摩擦板耗能有关，因此在该类新型板式SMA-摩擦复合阻尼器的进一步开发过程中，为提高阻尼器的耗能能力以及等效黏滞阻尼系数，可通过提高SMA 预拉力及数量和摩擦板与上、下副板间的接触面积来实现。从图7 中可看出，不同加载速率下的滞回曲线变化不大，阻尼器各力学参数与加载速率的影响不明显。

表2 工况2下阻尼器的平均力学参数Table 2 Average mechanical parameters of the damper under condition 2

4 结 论

本文基于“多种耗能机制共同耗能”的思想，提出一种板式SMA-摩擦复合阻尼器，并通过循环加载试验研究位移幅值和加载速率对阻尼器力学性能的影响，阻尼器表现出位移相关性，得到如下结论：

（1）随着位移幅值的增大，单次循环耗能能力逐步增强，割线刚度减小，等效黏性阻尼系数增大。

（2）随着加载速率的增大，单次循环耗能能力略有减小，但变化不大；割线刚度增大，等效黏性阻尼系数减小，但都趋于稳定。

（3）为进一步提高阻尼器的耗能能力和等效阻尼比，提出增加SMA 的预拉力和数量以及摩擦板与上、下副板的接触面积，为今后阻尼器的进一步开发提供指导。

（4）该板式SMA-摩擦复合阻尼器具有较稳定的滞回性能，耗能能力良好，具有一定的应用前景。