形状记忆合金弹簧在土木工程中的应用

周　华

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉　430070)



形状记忆合金弹簧在土木工程中的应用

周华

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430070)

分析了热处理对形状记忆合金(SMA)弹簧的影响，结合SMA弹簧的力学性能，介绍了SMA弹簧在土木工程中的应用现状，指出SMA弹簧在智能修复和耗能减震方面具有良好的应用前景。

SMA弹簧，力学性能，热处理，耗能减震

形状记忆合金是一种新型的智能材料，它特有的超弹性性能和形状记忆性使其广泛应用于各个领域。形状记忆效应是指形状记忆合金可以任意的变形，当其加温或者通电后，可以恢复到原始的形状；超弹性性能设置在一定温度范围内，当应力消失时材料可以不通过加热自动恢复到原始的状态。目前，国内外对形状记忆合金丝的研究较多，对于将其加工为形状记忆合金弹簧的研究较少，主要集中在对SMA弹簧的加工、SMA弹簧的力学性能以及SMA弹簧在土木工程中的应用。

1　热处理对SMA弹簧的影响

现阶段针对SMA弹簧的研究较多集中在对其加工工艺尤其是热加工过程中，很多学者研究了不同热加工对SMA弹簧形状记忆性和超弹性的影响，有些学者甚至研究了不同Ni合金含量和不同热处理方式对SMA弹簧特性的影响。颜世春等[1]研究了SMA弹簧的热处理工艺。试验表明经过热处理对弹簧的恢复温度有影响，但是退火后的自然冷却对恢复温度无影响，这对后续的弹簧加工有一定的指导作用。王刚[2]研究了SMA弹簧的制备过程，并就热机械循环次数、时效温度、时效时间、工作循环四个因素对弹簧恢复率的影响展开了讨论。吴波等[3]选取直径为1.5 mm的Ni原子含量为50.8%的SMA材料，研究了不同的热处理方式对形状记忆合金的超弹性耗能的影响。试验研究表明热处理使SMA材料的能力耗散系数增大，说明热处理能提升SMA材料的耗能能力，同时热处理也减小材料受力后的残余变形，说明SMA是一种良好的耗能减震材料。黄兵民等[4]研究了直径为3.2 mm的Ti- 49.8%Ni合金丝材在冷拔和热加工下的超弹性性能。他们在热加工上得到的结论和吴波等相同，即400 ℃下保温30 min可获得良好的超弹性，同时他们指出冷拔也对SMA丝的超弹性有很大的影响，冷拔量越大，丝材的超弹性性能越好。李波等[5]研究了Ti50Ni47Fe3在温度、约束力下的弹簧恢复力特性。试验表明温度对恢复力的影响不大，但是约束力的大小会影响恢复位移，两者呈非线性的正比关系，他们指出约束力、约束位移与弹簧的恢复力、恢复位移在一定范围内同步增长。王治国等[6]研究了热机械训练温度和定型处理温度对SMA弹簧双向记忆效应的影响。研究表明SMA弹簧的双向记忆效应与训练次数有关，并且与SMA弹簧所处的母相状态有关。试验进行了400 ℃～550 ℃的定型温度处理，结果表明SMA弹簧的形状记忆恢复率存在一个最适合温度，并不是随温度的升高而增大。孟祥龙等[7]研究了形状记忆合金弹簧在恒载下的热稳定性。根据加卸载得到的滞回曲线表明，环境温度会影响SMA弹簧的超弹性性能，温度越高，弹簧形成的滞回环越小，在荷载作用下的热稳定性也越差，其热稳定性存在一个合理的荷载值和温度区间，他们同时发现恒载下的TiNi合金弹簧的热稳定性比铜基TiNi合金弹簧的好。贺志荣等[8]就退火温度、变形温度、热循环以及力循环等因素对Ti49.4Ni50.6超弹性弹簧的相变和形变特性进行了试验研究。试验表明弹簧的超弹性能呈倒U形现象，即存在一个超弹性的最适合温度；在热循环和力循环下，随着循环次数的增加，SMA弹簧的恢复率逐渐下降，最后趋于平衡，可见适当的循环可以保证SMA弹簧稳定的应力应变恢复。

2　SMA弹簧的力学性能

陈安明等[9]利用多项式回归确定参数的方法，从理论上推导出考虑荷载、位移、温度的完整的SMA弹簧力学模型，并将计算结果与试验结果对照，分析表明此模型基本能适用于SMA弹簧力学的模拟，此模型只适用于已知的小直径SMA弹簧。

庄鹏等[10]对超弹性形状记忆合金螺旋弹簧的滞回性能进行了研究。他们设计了两种Ni原子含量不同的SMA弹簧，分别考虑弹簧的加载次数、频率以及位移幅值对SMA弹簧的等效刚度、单位循环耗能、等效阻尼比和残余位移的影响。此实验验证了SMA螺旋弹簧能提供良好的滞回性能，但是实验位移幅值选取太小，SMA弹簧中马氏体应变的参与量太少，没能充分的体现出形状记忆合金的超弹性性能，并且文章并未给出SMA弹簧的本构模型和数值模拟，只是一个初探性的现象实验。

宋固全等[11]提出了形状记忆合金弹簧的理论模型。模型中主要考虑马氏体参与率对弹簧刚度的影响，但是力学模型源于直杆的扭转理论，所以模型的参数与钢弹簧理论模型类似，只是组合了一个考虑马氏体参与率的系数。

刘爱荣等[12]基于Brinson本构模型从理论上推导了形状记忆合金弹簧剪切变形的本构模型，并进行了弹簧拉压变形分析，最后设计了一个装置有SMA弹簧的悬臂梁在动载下的算例，算例表明在低频荷载下SMA弹簧的刚度增加会使结构系统刚度增加，在高频荷载下SMA刚度的变化对系统的频率影响不大，从而提出SMA弹簧适用于低频结构的减震。

彭刚等[13]根据Helmholt自由能理论，从热力学角度推导了SMA弹簧的本构关系，并考虑了相变过程中马氏体含量对弹簧刚度的影响。同时，他们编写了SMA弹簧的matlab程序并限定了弹簧的线径比进行仿真分析，分析结果与其他学者的研究相吻合，体现出了SMA弹簧良好的耗能能力。

3　SMA弹簧在土木工程中的应用

目前，形状记忆合金弹簧在土木工程中的应用主要集中在减震和健康监测方面。形状记忆合金弹簧在减震方面的研究集中在阻尼器和隔震支座的设计，很多学者进行了各种各样的研究，主要利用形状记忆合金弹簧的超弹性和形状记忆性能提供阻尼耗能以及形状记性的自复位能力，使结构在地震荷载下不被破坏。健康监测方面的研究主要是利用弹簧的形状记忆性能，使结构恢复到原始的受力状态，保证结构不被破坏。

刘雨冬等[14]提出了一种基于SMA弹簧的摩擦型支座。此支座依据Liang-Rogers本构模型，通过在支座内部设置环向八个SMA弹簧提供自复位的恢复力，在支座底部设置Teflon材料摩擦面实现耗能，并利用ABAQUS软件实现建模。研究表明，SMA弹簧摩擦型支座具有良好的自复位能力和耗能能力，能为支座提供可靠的刚度，其等效阻尼比可以达到0.3～0.45。

庄鹏等[15]设计了一种基于SMA弹簧的摩擦型隔震支座，并进行了隔震结构地震响应分析。他们首先依据SMA丝的本构关系通过分段线性化的方法，同时将SMA弹簧总恢复力划分成非线性弹性恢复力和滞回力两部分，建立了SMA弹簧的力—位移模型；然后计算了配备有20个此类支座的结构的动力响应，计算结果表明此类支座的加速度减震率可达到33.93%，上部结构在地震荷载下位移较小，得到了良好的控制，支座的滞回环比较饱满，有良好的耗能能力和自复位能力；最后将此支座与纯摩擦支座和摩擦摆支座进行了比较，结构体现了SMA弹簧—摩擦支座在位移峰值控制上和残余位移控制上的优势。

蔡锦荣等[16]针对摩擦型支座无法解决上拔力以及无法设置良好摩擦面的缺点，设计出了一种SMA弹簧—轴承滚动支座，通过设置轴承滚动板的方式防止支座的上拔影响。研究表明SMA弹簧支座的耗能能力明显优于钢弹簧支座，它能有效的抑制地震能向结构传递。同时利用matlab设计了一个配备有此支座的输电塔算例，模拟EL-centro波下输电塔顶层相对加速度时程曲线，计算表明此支座能减少输电塔在地震荷载下的动态反应，顶层加速度减小率可达到74.1%。

黄斌等[17]根据试验测得的SMA弹簧现象模型进行了SMA滑动支座的隔震试验与仿真分析，在考虑弹簧预拉伸的前提下，与普通钢弹簧隔震体系相比，新提出的SMA弹簧体系能很好的适应EL-centro波和Kobe波，试验和仿真结构都显示出SMA弹簧滑动支座良好的隔震性能。

李庆斌等[18]为避免实际工程中结构自振频率测量困难的问题，提出了一种基于SMA材料的TMD半主动控制。他们设两种SMA-TMD装置，其中一种通过改变电流的方式控制SMA弹簧的刚度以达到实时控制结构振动的目的。通过仿真分析，这种装置在风载和其他随机荷载下能很好的减小结构的振动，并且具有一定的自适应性。

4　结语

形状记忆合金弹簧是一种很有应用前景的新型智能材料。随着材料加工工艺的成熟以及对其力学性能的逐步了解，形状记忆合金弹簧的应用将越来越多，考虑到形状记忆合金的超弹性和形状记忆性能，它将在智能修复和耗能减震方面表现出良好的应用前景。例如将形状记忆合金弹簧安装于调谐质量阻尼器(TMD)中，取代其中的钢弹簧，这样利用形状记忆合金材料的高阻尼特性和超弹性性能，可以避免TMD中复杂的阻尼设计，只需安装SMA弹簧即可耗能减震。总之，随着科学技术的发展，形状记忆合金弹簧将越来越受到重视。

[1]颜世春,姜治.TiNi形状记忆合金弹簧的热处理[J].稀有金属材料与工程,1993(1):47-50.

[2]王刚.氢对NiTi合金的影响及NiTi合金弹簧的制备[D].锦州：辽宁工学院,2007.

[3]吴波,孙科学,李惠,等.热处理对形状记忆合金超弹性滞回性能的影响[J].振动工程学报,2000(3):129-134.

[4]黄兵民,王永前,程建霞,等.近等原子比NiTi形状记忆合金的超弹性[J].中国有色金属学报,1996(4):139-142.

[5]李波,刘福顺.TiNiFe低温形状记忆合金弹簧恢复特性的研究[J].金属功能材料,2011(3):9-13.

[6]王治国,祖小涛,傅平,等.TiNiCu形状记忆合金双向记忆效应研究[J].功能材料,2003(3):281-283.

[7]石美玉,孟祥龙.恒载荷下TiNi和TiNiCu形状记忆合金弹簧的热稳定性[J].哈尔滨工程大学学报,2008(4):416-419.

[8]刘曼倩,贺志荣.Ti-Ni-V形状记忆合金及其弹簧的相变和形变特性[J].材料热处理学报,2012(1):44- 48.

[9]陈安明,钱学军.形状记忆合金弹簧力学特性和数学模型的研究[J].江苏机械制造与自动化,1999(1):14-16,23.

[10]庄鹏,薛素铎,韩淼.SMA弹簧—摩擦支座基础隔震体系的地震响应分析[J].地震工程与工程振动,2015(2):103-113.

[11]宋固全,徐玉红,吴晓钢.形状记忆合金弹簧力学性能分析[J].南昌大学学报(工科版),2005(2):1-5.

[12]刘爱荣,潘亦苏,周本宽.形状记忆合金弹簧变形分析及其在振动控制中的应用[J].西南交通大学学报,2000(1):83-87.

[13]彭刚,樊剑,李黎,等.形状记忆合金耗能弹簧的力学性能研究[J].工程力学,2004(4):86-90.

[14]刘雨冬.超弹性SMA支座及在网架结构中的隔震研究[D].北京：北京建筑大学,2015.

[15]庄鹏,薛素铎,刘雨冬,等.超弹性TiNi记忆合金螺旋弹簧的滞回性能实验研究[J].功能材料,2015(13):13007-13013.

[16]蔡锦荣,刘树堂.SMA弹簧—轴承滚动隔震输电塔的地震反应分析[J].广东土木与建筑,2009(5):14-17.

[17]黄斌,蒲武川,张海洋,等.基于超弹性SMA螺旋弹簧的基础隔震研究[J].地震工程与工程振动,2014(2):209-215.

[18]孙万泉,李庆斌.基于形状记忆合金的TMD半主动控制[J].哈尔滨工业大学学报,2009(6):164-168.

The application of Shape Memory Alloy spring in civil engineering

Zhou Hua

(CivilEngineeringandArchitectureInstitute,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

This paper analyzed the influence of heat treatment to Shape Memory Alloy(SMA) spring, combining with the mechanical properties of SMA spring, introduced the application situation of SMA spring in civil engineering, pointed out that the SMA spring had good application prospect in intelligent repair and damping energy consumption.

SMA spring, mechanical property, heat treatment, damping energy consumption

1009-6825(2016)08-0139-02

2016-01-05

周华(1991- )，男，在读硕士

TU512

A