TiNi形状记忆合金及其环阻尼器的阻尼性能研究

论文摘要

为充分发挥SMA的高阻尼特性,制作高性能的新型阻尼器,本文研究了热处理、加载条件和预应变对SMA的迟滞耗能性能的影响规律以及其迟滞耗能性能与振动响应特性的基本关系,在此基础上研制了新型单、双面TiNi SMA环阻尼器,并对其阻尼性能进行了研究。实验研究所确定的热处理制度,可使富镍TiNi SMA（成分为Ti-50.9at%Ni）获得饱满的迟滞环。通过SMA的循环加载实验,以及SMA丝材、载荷和附加弹簧组成的单自由度系统中SMA振动响应特性的理论分析发现,选择恰当的应变幅值和预应变量,优化阻尼器中SMA的迟滞环形状均有利于充分利用SMA的高阻尼性能,但附加弹簧抑制SMA高阻尼性能的发挥。在循环载荷作用下无约束时TiNi SMA环难以消耗能量,阻尼性能差,且承载能力低,但是将其应用于阻尼器中,由于挡板对合金环的约束作用改变了环内的应力大小和分布,单面TiNi SMA环阻尼器不仅具有较好的阻尼性能,且承载能力和抗过载能力高。单面TiNi SMA环阻尼器的静态阻尼性能与合金环层数、横向预变形以及位移幅值密切相关,增加合金环层数能够提高其承载能力和循环载荷作用下的能耗,但阻尼性能未改善;单层环、小位移时,适当的横向预变形能在一定程度上改善其阻尼性能,但随着位移幅值和合金环层数的增加,横向预变形对其阻尼性能的影响逐渐趋于不利;增加位移幅值不仅能提高其阻尼性能,且会改变迟滞环形状,大位移时迟滞环为三角形,能够使SMA在单面TiNi SMA环阻尼器中充分发挥其性能优势。对单面TiNi SMA环阻尼器进行了结构优化,研制出了双面环阻尼器,通过振动台实验测试了其振动响应特性,发现双面环阻尼器具有较复杂的振动响应变化规律,不同于单自由度系统。加入马氏体态SMA环可提高低频段（08Hz）的减振能力,并且小载荷作用下多层环夹有马氏体态SMA环或大载荷作用下SMA环全为奥氏体态时,双面TiNi SMA环阻尼器在040Hz整个测试频率范围内具有良好的振动响应特性,可充分发挥SMA的高阻尼特性,另外,增加合金环层数和纵向预变形能有效改善其减振效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 形状记忆合金的特性
• 1.3 形状记忆合金在振动控制领域的研究现状
• 1.4 研究意义与研究内容
• 第二章 试验方法
• 2.1 TiNi SMA 丝材的热处理
• 2.2 电阻法相变点测试
• 2.3 TiNi SMA 的基本力学性能测试
• 2.4 单自由度系统中TiNi SMA的振动响应特性分析
• 2.5 单面TiNi SMA环阻尼器结构设计及静态阻尼性能研究
• 2.6 TiNi SMA 环阻尼器结构优化与振动响应特性测试
• 第三章 TiNi SMA的基本力学性能研究
• 3.1 TiNi SMA 的相变点与拉伸断裂行为
• 3.2 TiNi SMA 的迟滞循环性能
• 3.3 本章小结
• 第四章 单自由度系统中TiNi SMA 的振动响应特性分析
• 4.1 基于SMA丝材USDOF系统的振动理论基础
• 4.2 USDOF 系统中SMA 的振动响应特性
• 4.3 本章小结
• 第五章 单面TiNi SMA 环阻尼器的静态阻尼性能与力学解析
• 5.1 无约束时TiNi SMA环的静态阻尼性能与力学解析
• 5.2 单面TiNi SMA环阻尼器的静态阻尼性能与力学解析
• 5.3 单面TiNi SMA环阻尼器的特性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 双面 TiNi SMA 环阻尼器设计及其振动响应特性
• 6.1 双面TiNi SMA环阻尼器的结构设计
• 6.2 双面TiNi SMA环阻尼器的振动响应特性
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 双面 TiNi SMA 环阻尼器的结构
• 攻读博士学位期间的研究成果