超弹性SMA丝力学性能试验及新型阻尼器设计

宾 帅，孙洪鑫，王修勇，禹见达，杨国松

（湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411100）

超弹性SMA丝力学性能试验及新型阻尼器设计

宾 帅，孙洪鑫*，王修勇，禹见达，杨国松

（湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411100）

通过大量工况下的超弹性形状记忆合金丝循环拉伸试验，分析不同丝径、循环次数、加载速率、应变幅值、环境温度等因素对超弹性SMA应力应变曲线及各力学性能参数的影响，得出影响SMA超弹性性能的主要因素及变化规律.结果表明，应变幅值和加载速率是影响SMA耗能能力的主要因素，且经一定次数循环拉伸训练后SMA能具备稳定的耗能阻尼性能，是制作阻尼器用于结构振动控制的理想材料.基于应变幅值对SMA丝耗能效果的影响，文章设计了一种位移旋转放大型SMA阻尼器，能放大SMA丝的变形，增强其在结构小位移时的耗能效果.

形状记忆合金；超弹性；力学性能；影响因素；SMA阻尼器

形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是近年来吸引工程界众多学者广泛研究应用的一种重要新型功能材料，具有超弹性、高阻尼特性、较大的可恢复变形能力，以及耐腐蚀抗疲劳等显著特点［1－2］.它的超弹性效应表现为当温度大于奥氏体相变完成温度时，在外力作用下形状记忆合金具有比一般金属大得多的变形恢复能力，即加载过程中产生的大应变会随着卸载而恢复到初始状态.超弹性SMA即材料本身相变温度低于常温，以使其超弹性效应在现实应用中能得到更好发挥.

当前，国内外学者陆续开展了不少关于SMA性能试验和应用研究的工作［3－12］.左晓宝［3］、钱辉等［4］进行了考虑温度等因素的SMA丝力学性能试验；张纪刚［5］通过设计不同台形的组合连接关系研制了一种锥形SMA阻尼器；OZBULUT［6］、钱辉［7］、薛素铎等［8］进行了复合摩擦型SMA阻尼器的设计与试验研究；禹奇才等［9］提出了一种放大位移型SMA阻尼器；李惠等［10－11］进行了新型SMA阻尼器的设计分析与减震性能研究；DIENG等［12］还研究了用超弹性SMA丝制作阻尼装置用于斜拉索振动控制的效果.SMA阻尼装置不断被研究发展，但其中多数不具备放大SMA变形的功能.为此，本文详细比较了不同直径SMA丝的滞回耗能效果，探究不同循环次数、加载速率、应变幅值、环境温度等各影响因素对SMA滞回曲线和力学参数的影响，进而分析了SMA的力学行为的主要影响因素和变化规律；并基于SMA耗能性能特点，开发设计了一种位移旋转放大型SMA阻尼器，能将SMA丝的变形放大为外部结构位移的若干倍，增强了SMA丝在结构小位移时的耗能效果发挥.

1 SMA性能试验

1.1 试验概况

本试验选取超弹性NiTi形状记忆合金丝，合金成分Ti－50.8at%Ni，奥氏体相变完成温度Af为－5℃，丝径分别为1 mm、2 mm，试件长为180 mm，标距为100 mm.试验装置采用MTS Landmark电液伺服试验机系统，试验过程采用简谐波做循环拉伸，由计算机自动控制，试验结果由计算机自动采集.为保证试样夹紧且伸直，试验前对SMA丝施加微预应力以张紧.

1.2 试验方法

对超弹性SMA丝进行大量工况下的循环拉伸试验，考虑不同丝径、循环次数、加载速率、应变幅值以及环境温度等因素对超弹性SMA丝力学性能的影响，对实验数据处理分析了滞回耗能量、各态相变应力、残余应变等力学性能参数.考虑不同因素下的各工况，具体加载工况见表1（除工况1、4、7外，均经加载速率0.1 Hz、应变幅值7%的30次循环拉伸训练后再进行试验）.

表1 试验工况Table 1 Experimental items

2 试验结果与分析

2.1 循环次数对SMA丝力学性能的影响

设试验力－位移曲线所包围的面积为耗散能量ED.等效粘滞阻尼系数Ceq＝ED／πωρ2，式中，ED为能量耗散、ω为振动频率、ρ为位移幅值.

以试验工况（表1）中工况1下（应变幅值6%，加载速率为0.5 Hz、0.1 Hz时）的试验结果为例，得出的SMA应力－应变曲线、滞回耗能关系曲线、等效阻尼系数关系曲线等见图1.

2.2 加载速率对SMA丝力学性能的影响

以试验工况表中工况2、工况5的试验结果得出不同加载速率下的SMA应力－应变曲线、滞回耗能关系、等效阻尼系数关系见图2.

2.3 应变幅值对SMA丝力学性能的影响

以试验工况表中工况3、工况6的试验结果得出不同应变幅值下的各参数关系曲线，见图3.

图1 循环次数对SMA丝各力学性能参数的影响Fig.1 Effect of cyclic number on mechanical properties of SMA wire

图2 加载速率对SMA丝各力学性能参数的影响Fig.2 Effect of loading rate on properties of SMA wire

2.4 不同丝径的影响

直径1、2 mm的SMA丝在6%、7%、8%幅值下循环拉伸30次后的力－位移曲线对比见图4.图中1 mm丝径的曲线沿位移方向呈狭长状而2 mm丝径的曲线沿力方向呈狭长形.2 mm丝径的不同幅值下曲线近似平移，且残余应变较1 mm丝径时大很多.

2.5 环境温度的影响

以试验工况表中工况2、工况8得出的不同环境温度下的试验结果见图5.

3 位移旋转放大型SMA阻尼器设计

3.1 新型SMA阻尼器结构设计

基于上述材料性能试验分析，应变幅值是影响SMA耗能效果的最主要因素且其高效耗能应变幅值区间较大；同时，考虑到采用预拉的方法既难于实现，不便应用又会损失和弱化SMA丝的耗能效果，为能更充分地发挥SMA阻尼器在结构小位移时的耗能应用效果，本文通过加入滚珠丝杠的应用，设计了一种位移旋转放大型形状记忆合金阻尼器，其结构构造见图6.

图3 应变幅值对SMA丝各力学性能参数的影响Fig.3 Effect of strain amplitude on the properties of SMA wire

3.2 新型SMA阻尼器工作原理

本文新型SMA阻尼器的运作原理：当推拉杆（即滚珠丝杠螺杆）受到拉压力产生轴向相对运动时，滚珠丝杠螺杆的推拉来回直线运动通过内部机构转换成滚珠丝杠螺母的正反向旋转运动，滚珠丝杠螺母旋转带动超弹性SMA丝旋转拉伸，从而实现SMA丝位移行程的放大.该阻尼器通过位移旋转装置既能保证SMA丝的始终受拉和自复位，还能将SMA丝的变形放大为外部结构位移的若干倍，使耗能装置在结构相对位移较小时同样具有较大的变形量，由此拓宽了SMA阻尼器的工程应用范围.

图4 直径2 mm SMA丝在各因素下的曲线关系图Fig.4 Curve diagram of diameter 2 mm SMA wire under various factors

图5 环境温度对SMA丝的影响Fig.5 Effect of environmental temperature on SMA wire

图6 位移旋转放大型SMA阻尼器的结构构造图Fig.6 Structure diagram of SMA damper with displacement rotation and magnification

3.3 新型SMA阻尼器结构参数优化

该阻尼器安装前，可根据实际工程结构的振动控制要求选用不同的机构参数，以此来确定SMA丝位移行程放大幅度，实现不同的效果，旋转机构参数见图7.

图7 旋转机构参数示意图Fig.7 The rotating mechanism parameters diagram

推导可知在外部相同直线位移下，本文新型阻尼器SMA丝的变形放大系数：

图8 放大系数随滚珠丝杠导程变化的关系图Fig.8 The relationship diagram of the amplification coefficient with the change of the ball screw lead

（2）当选取滚珠丝杠螺杆的导程l＝4 mm时，直线位移变化l／2＝2 mm，放大系数n随直线位移变化的关系如图9.表明该符合现实工艺条件的备选导程合理适用、放大效果佳.

图9 放大系数随直线位移变化的关系Fig.9 The relationship between the amplification coefficient and linear displacement

4 结 论

（1）经数十次循环拉伸训练后，SMA丝残余应变极小，耗能性能趋于稳定，且对比发现经加载速率0.1 Hz的训练后材料耗能效果更佳.不同直径SMA丝的滞回曲线变化趋势大致相同，而丝径1 mm时的屈服平台更为明显，选用直径1 mm SMA丝的超弹性及滞回耗能效果相对更好.SMA丝耗能量随加载速率增加呈不同幅度的减小，加载速率较小时加、卸载屈服平台更为明显.在常温环境下，滞回耗能量随温度变化的影响很小，为进一步阻尼器制作应用的参数确定（如选用丝径）及适用条件（如环境温度、加载速率可行区间）提供了基础.

（2）应变幅值是影响超弹性SMA丝耗能能力的最主要因素.SMA丝耗能量随应变幅值的增大而显著增加，SMA丝在大应变时的耗能效果发挥更为充分.

（3）基于SMA材料性能特点，设计了一种位移旋转放大型SMA阻尼器，并进行了结构参数优化和放大效果分析.该阻尼器既能保证SMA丝的始终受拉和自复位，又能放大SMA丝的变形，增强在结构小位移时的耗能效果发挥.

［1］ 崔迪，李宏男，宋钢兵.形状记忆合金在土木工程中的研究与应用进展［J］.防灾减灾工程学报，2005（1）：86-92.

CUI D，LI H N，SONG G B.Progress on study and application of shape memory alloy in civil engineering［J］.Disast Prevent Mitig Engin，2005，25（1）：86-92.

［2］ 吴波，李惠，孙科学.形状记忆合金在土木工程中的应用［J］.世界地震工程，1999，15（3）：1-13.

WU B，LI H，SUN K X.Application of shape memory alloy in civil engineering［J］.World Earthq Engin，1999，15（3）：1-13.

［3］ 左晓宝，李爱群，倪立峰，等.超弹性形状记忆合金丝（NiTi）的力学性能试验［J］.土木工程学报，2004，37（12）：10-16.

ZU0X B，LI A Q，NI L F，et al.An experimental study on the mechanical behavior of superelastic NiTi shape memory alloy wires［J］.China Civil Engin J，2004，37（12）：10-16.

［4］ 钱辉，李静斌，李宏男，等.结构振动控制的不同直径NiTi丝力学性能试验研究［J］.振动与冲击，2013，32（24）：89-95.

QIAN H，LI J B，LI H N，et al.Mechanical behavior tests of NiTi wires with different diameters for structural vibration control［J］.J Vibrat Shock，2013，32（24）：89-95.

［5］ 张纪刚，吴斌，欧进萍.锥形形状记忆合金阻尼器性能分析与试验研究［J］.地震工程与工程振动，2004，24（6）：126-130.

ZHANG J G，WU B，OU J P.Experimental research and numerical analysis of hysteretic behavior of cone shape memory alloy dampers［J］.Earthq Engin Engin Vibrat，2004，24（6）：126-130.

［6］ OZHULUT 0E，HARLEBAUS S.Re-centering variable friction device for vibration control of structures subjected to nearfield earthquakes［J］.Mechan Syst Sign Proces，2011，25：2849-2862.

［7］ 钱辉，李宏男，任文杰，等.形状记忆合金复合摩擦阻尼器设计及试验研究［J］.建筑结构学报，2011，32（9）：58-64.

QIAN H，LI H N，REN W J，et al.Experimental investigation of an innovative hybrid shape memory alloys friction damper ［J］.J Build Struct，2011，32（9）：58-64.

［8］ 薛素铎，石光磊，庄鹏.SMA复合摩擦阻尼器性能的试验研究［J］.地震工程与工程振动，2007，27（2）：145-151.

XUE S D，SHI G L，ZHUANG P.Performance testing of SMA incorporated friction dampers［J］.Earthq Engin Engin Vibrat，2007，27（2）：145-151.

［9］ 禹奇才，刘春晖，刘爱荣.一种放大位移型SMA阻尼器的减震控制分析［J］.地震工程与工程振动，2008，28（5）：151-156.

YU Q C，LIU C H，LIU A R.The analysis of structure vibration control by using shape memory alloy dampers with magnifying story drift［J］.Earthq Engin Engin Vibrat，2008，28（5）：151-156.

［10］李惠，毛晨曦.形状记忆合金（SMA）被动耗能减震体系的设计及参数分析［J］.地震工程与工程振动，2001，21（4）：54-59.

LI H，MA0C X.Seismic response of buildings with SMA passive energy dissipation devices：Analysis and design［J］. Earthq Engin Engin Vibrat，2001，21（4）：54-59.

［11］毛晨曦，李惠，欧进萍.形状记忆合金被动阻尼器及结构地震反应控制试验研究和分析［J］.建筑结构学报，2005，26 （3）：38-44.

MA0C X，LI H，OU J P.Experimental and analytical investigations of shape memory alloy as passive energy dissipation device for seismic response reduction of building［J］.J Build Struct，2005，26（3）：38-44.

［12］DIENG L，HELBERT G，CHIRANI，et al.Use of shape memory alloys damper device to mitigate vibration amplitudes of bridge cables［J］.Engin Struct，2013，1547-1556.

Super elastic shape memory alloy wire mechanics performance test and the new damper design

BIN Shuai，SUN Hong-xin，WANG Xiu-yong，YU Jian-da，YANG Guo-song
（Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411100，China）

Through super elastic shape memory alloy wire mechanical property test，considering different wire diameters，cycle times，loading rate，strain amplitude，the degree of pretension and temperature effect on mechanical performance parameters of SMA，to research the main factors influencing the performances of SMA and the change regularity.Test results show that，SMA can have stable dissipative damping performance after a certain number of cyclic tensile training.It is an ideal material to make damper and apply to the control of structure vibration.Considering the effects of strain amplitude on energy dissipation，a kind of displacement rotary large SMA damper was designed.It can enlarge the deformation of the SMA wire and enhance its energy dissipation in small displacement.

shape memory alloy；super elastic；mechanical property；influential factor；SMA damper

P 315

A

【责任编辑：陈 钢】

1671-4229（2015）05-0061-06

2015－07－10；

2015－08－17

国家重点基础研究发展计划资助项目（2015CB057702）；国家自然科学基金资助项目（51508185）；湖南科技大学研究生创新基金资助项目（S140015）

宾 帅（1991-），男，硕士.E-mail：shuai0809＠yeah.net

*通信作者.E-mail：cehxsun＠126.com