形状记忆合金阻尼器消能减震结构体系研究

论文摘要

结构振动控制是已经被实际工程证明了的能够改善结构抗震性能、减小结构地震反应的积极有效方法。其中,被动消能减震因其构造简单、造价低廉、易于维护且无需外部能源支持等优点,成为目前发展较为成熟且工程中得到广泛应用的振动控制技术。然而,目前开发的耗能器存在着一些缺点,如材料的老化和耐久性、残余变形以及大震过后的更新替换等问题。近年来,智能材料和控制装置的研究和发展为土木工程结构减震控制开辟了新的天地,为新一代高性能被动耗能器的研制和开发提供了基础。形状记忆合金（Shape Memory Alloys,简称SMA）是一种新型的智能材料,因其独特的形状记忆效应、超弹性、高阻尼和耐腐蚀特性,成为土木工程结构消能减震的理想材料。本文在超弹性SMA丝的力学性能、超弹性SMA的本构模型、新型SMA阻尼器的研制开发及性能测试、SMA阻尼器消能减震结构体系的参数优化及非线性分析、SMA阻尼器进行结构震动控制的振动台试验等方面进行了深入系统的研究,主要内容包括:（1）试验研究了三种直径超弹性NiTi SMA丝的力学特性,考察了循环加载次数、加载速率、应变幅值和环境温度对其力学性能（相变应力、每循环耗散能量、割线刚度、等效阻尼比和残余应变等）的影响,揭示了加卸载过程中因潜热引起的SMA丝温度的变化规律,为SMA阻尼器设计中材料的选择提供了试验基础。（2）提出了超弹性SMA的改进本构模型。在试验的基础上,针对Graesser &Cozzarelli模型不能描述马氏体硬化效应和应变率相关特性的缺点,提出了改进的Graesser & Cozzarelli模型,给出了模型参数选取原则和方法,并通过数值仿真结果和试验结果的对比,验证模型了的适用性。（3）开发研制了新型筒式自复位SMA阻尼器（TRSMAD）。采用超弹性SMA丝提出了一种筒式自复位SMA阻尼器,试验研究了SMA丝初始应变、位移幅值和加载频率对阻尼器力学性能的影响,建立了阻尼器一维理论模型,并对其力学性能进行了数值模拟。（4）开发研制了新型复合型SMA摩擦阻尼器（HSMAFD）。采用超弹性SMA丝自复位装置和摩擦耗能装置,提出了一种复合型SMA摩擦阻尼器,该阻尼器有效利用摩擦装置的高耗能和SMA的自复位功能,具有更强的耗能能力;试验测试了SMA丝初始应变、摩擦力、位移幅值及加载频率对阻尼器力学性能的影响,建立了阻尼器的理论模型,并对其力学性能进行了数值模拟。（5）研究了SMA阻尼器结构振动控制的参数优化及非线性分析问题。采用能量平衡分析方法对SMA消能减震结构体系阻尼器的参数进行了优化,给出了阻尼器参数的建议取值范围。建立了安装SMA阻尼器的对称结构和偏心结构在地震作用下的运动方程,并基于MATLAB语言编写了SMA阻尼器消能减震结构体系的弹塑性时程分析程序。最后,分别以多层对称框架结构和偏心框架结构为算例,对SMA阻尼器消能减震结构体系在地震作用下的反应进行了数值分析,验证了SMA阻尼器的减震效果。（6）进行了对称结构的振动台试验,以验证SMA阻尼器对结构平移震动反应的控制效果。设计了一个三层对称钢框架模型,分别将两种新型阻尼器安装在结构底层的质心位置,对无控条件下和安装阻尼器的有控条件下的结构反应进行了振动台试验,并通过能量分析方法对SMA阻尼器消能减震体系的能量分配进行了评价。结果表明,SMA阻尼器可以有效抑制结构的平动反应。（7）进行了偏心结构的振动台试验,以验证SMA阻尼器对结构平-扭耦联震动反应的控制效果。设计了一个三层单向偏心的钢框架模型,分别将两种新型阻尼器安装在结构底层的一侧,并通过振动台试验,分别对无控条件下和安装阻尼器的有控条件下的结构反应进行了研究。结果表明,SMA阻尼器可以有效抑制结构的平-扭耦联震动反应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 智能材料与结构系统
• 1.2.1 智能材料
• 1.2.2 智能结构系统
• 1.3 形状记忆合金及其基本特性
• 1.3.1 形状记忆合金工作机理
• 1.3.2 形状记忆效应
• 1.3.3 超弹性
• 1.3.4 阻尼特性
• 1.3.5 电阻特性
• 1.3.6 杨式模量随温度变化特性
• 1.4 形状记忆合金特性影响因素
• 1.4.1 循环次数
• 1.4.2 应变幅值
• 1.4.3 加载频率
• 1.4.4 环境温度
• 1.5 形状记忆合金在土木工程中的研究及应用进展
• 1.5.1 SMA用于结构被动控制
• 1.5.2 SMA用于结构主动控制
• 1.5.3 SMA用于结构半主动控制
• 1.5.4 SMA用于结构智能控制
• 1.6 形状记忆合金在其他领域的应用
• 1.6.1 航空航天领域
• 1.6.2 生物医学领域
• 1.6.3 日常生活领域
• 1.7 本文重要研究内容
• 2 超弹性形状记忆合金力学性能试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验概况
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验系统
• 2.2.3 试验方案
• 2.2.4 参数选取
• 2.3 试验结果和分析
• 2.3.1 循环次数
• 2.3.2 应变幅值
• 2.3.3 加载速率
• 2.3.4 环境温度
• 2.4 小结
• 3 超弹性形状记忆合金的本构模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 Tanaka-Liang-Brinson模型
• 3.2.1 Tanaka模型
• 3.2.2 Liang-Rogers模型
• 3.2.3 Brinson模型
• 3.2.4 数值模拟
• 3.3 Graesser & Cozzarelli模型及其改进
• 3.3.1 Graesser & Cozzarelli模型
• 3.3.2 改进模型
• 3.3.3 模型参数的确定
• 3.3.4 数值模拟
• 3.4 小结
• 4 新型形状记忆合金阻尼器设计、试验及数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 筒式自复位SMA阻尼器
• 4.2.1 设计思想
• 4.2.2 构造设计
• 4.2.3 工作原理
• 4.2.4 功能特点
• 4.2.5 性能试验
• 4.2.6 理论模型
• 4.2.7 数值模拟
• 4.3 复合型SMA摩擦阻尼器
• 4.3.1 设计思想
• 4.3.2 构造设计
• 4.3.3 工作原理
• 4.3.4 功能特点
• 4.3.5 性能试验
• 4.3.6 理论模型
• 4.3.7 数值模拟
• 4.4 小结
• 5 形状记忆合金阻尼器结构震动控制的参数优化及非线性分析
• 5.1 引言
• 5.2 SMA阻尼器消能减震结构体系非线性时程分析模型
• 5.2.1 分析模型的选取
• 5.2.2 结构的恢复力模型
• 5.2.3 阻尼器的恢复力模型
• 5.2.4 消能部件的恢复力模型
• 5.3 SMA阻尼器消能减震结构体系参数分析和优化
• 5.4 对称结构SMA阻尼器震动控制的非线性时程分析
• 5.4.1 消能减震结构体系的运动方程
• 5.4.2 程序编制及说明
• 5.4.3 数值算例
• 5.5 偏心结构SMA阻尼器震动控制的非线性时程分析
• 5.5.1 基本假定
• 5.5.2 运动方程
• 5.5.3 质量矩阵
• 5.5.4 刚度矩阵
• 5.5.5 阻尼矩阵
• 5.5.6 控制力作用位置矩阵
• 5.5.7 数值算例
• 5.6 小结
• 6 对称结构形状记忆合金阻尼器震动控制的振动台试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验概况
• 6.2.1 结构模型
• 6.2.2 SMA阻尼器及参数
• 6.2.3 试验系统
• 6.2.4 传感器及采集系统
• 6.2.5 地震动输入
• 6.2.6 试验方案
• 6.3 振动台试验结果及分析
• 6.4 SMA阻尼器控制结构地震反应的数值仿真分析
• 6.5 能量分析
• 6.6 小结
• 7 偏心结构SMA阻尼器平-扭耦联震动控制的振动台试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 试验概况
• 7.2.1 结构模型
• 7.2.2 试验方案
• 7.2.3 传感器及采集系统
• 7.3 振动台试验结果及分析
• 7.4 偏心结构SMA阻尼器震动控制的数值仿真分析
• 7.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介