SMA金屬橡膠阻尼器減振效能試驗研究

孟慶利

（西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽621010）

目前各國學者都在努力探索 SMA超彈性特性在振動控制領域的應用[1]．研究結果表明：各種形式的 SMA減振器有一定的阻尼性能，但相對其它大阻尼的粘彈性減振結構，其阻尼特性仍然欠缺，而且在承載力方面也有所不足，所以有必要探索新型的SMA減振器設計方案[2-4]．

近年來逐漸發展起來的擬橡膠金屬技術是一種很好的增大阻尼的方法[5-6]．由于擬橡膠金屬減振器由很多的小彈簧組成，在受到外力作用時，小彈簧之間的相互滑移產生的磨擦必然消耗部分能量，因此，在具備了金屬減振優點的同時，其阻尼性能較好，所占空間體積小，制成的減振器形狀自由，有較大的應用潛力[7-10]．此外，SMA的超彈性特性是一種特殊的滯回耗能性能，并具有較好的抗腐蝕、抗疲勞能力，較大的可恢復應變、在工程應用的溫度和頻率區間具有穩定的力學性能等．

所以本文針對所提出的 SMA金屬橡膠減振器開展試驗研究，首先，通過擬靜力試驗研究 SMA金屬橡膠元件的力學特性（阻尼、剛度等）；然后，通過地震模擬振動臺試驗研究探討 SMA金屬橡膠減振器的減振效能，并提出設計建議．

1 SMA金屬橡膠阻尼器耗能減振性能

1.1 擬靜力實驗

利用MTS試驗加載設備對外徑35 mm、內徑15 mm、高度12 mm、絲徑0.25 mm、孔隙1 mm的圓柱型中空 SMA金屬橡膠元件進行擬靜力試驗．圖1為SMA金屬橡膠元件擬靜力試驗圖．得到 SMA金屬橡膠元件力和位移滯回曲線，并分析其力學性能(主要是剛度和阻尼特性)的變化．表 1為不同頻率、不同位移幅值下 SMA金屬橡膠的剛度；圖2分別為1 mm和3 mm位移幅值下，加載頻率對SMA金屬橡膠元件力學性能的影響．

表1數據顯示在0.5 Hz加載頻率時，SMA金屬橡膠元件剛度隨位移幅值從133 N/mm一直增加到 493 N/mm，比最初剛度增大了 3倍左右，在1.5 Hz加載頻率時，SMA金屬橡膠元件剛度依然隨位移幅值增加而增大，從 142 N/mm增大 612 N/mm，比最初剛度增大了 3.5倍左右，其他加載頻率下，SMA金屬橡膠元件剛度變化趨勢基本相同．說明在相同頻率下，SMA金屬橡膠元件的剛度隨位移幅值的增大而增大．因為 SMA金屬橡膠作為一種空間網狀結構，在不受外力影響時，其內部金屬絲之間孔隙較大，密實度低，剛度小．當受到外力作用產生變形時，內部金屬絲之間孔隙變小，SMA金屬橡膠元件密實度變大，導致其剛度增大，而且 SMA金屬橡膠元件變形時，內部金屬絲之間相互接觸，在接觸點處產生干摩擦力，使其剛度再次增大．所以在相同加載頻率下，SMA金屬橡膠的剛度隨著位移幅值的增加而增加．

圖1 SMA金屬橡膠元件擬靜力試驗圖Fig.1 Pseudo-static test of SMA pseudo-rubber metal

表1 SMA金屬橡膠元件剛度（N/mm）Tab.1 Stiffness of SMA pseudo-rubber metal

表1和圖2表明在1 mm位移幅值下，力幅值在不同頻率下差異不大，而在3 mm位移幅值下，力幅值隨加載頻率的增大而增大．當位移幅值相同時，SMA金屬橡膠元件內部孔隙基本相同，密實度差異不大，而導致剛度變化的原因很可能是金屬絲之間的干摩擦力．當變形較小時，SMA金屬橡膠元件內部金屬絲之間雖然已經開始接觸，但接觸點相對較少，金屬絲之間干摩擦力很小，即使頻率增大其等效摩擦力差別也不大，所以 SMA金屬橡膠元件剛度相差不大；當變形較大時，SMA金屬橡膠元件內部金屬絲之間接觸點增多，金屬絲之間干摩擦力增大，在較大頻率下金屬絲來回擺動而引起的等效摩擦力也相應增加，而且頻率越大等效摩擦力的增強效果越明顯，所以 SMA金屬橡膠元件剛度隨加載頻率增加而增大．

圖2 SMA金屬橡膠元件滯回曲線Fig.2 Hysteretic curve of SMA pseudo-rubber metal

本文采用能量耗散系數 Ψ這一參數來表征金屬橡膠的干摩擦阻尼特性[8]，其計算公式為：Ψ=△W/W 其中，△W 為阻尼元件在一個周期內耗散的能量，W為阻尼元件在變形范圍內具有的最大變形能．表2為在不同頻率、不同幅值下SMA金屬橡膠元件的能量耗散系數．

表2 SMA金屬橡膠元件能量耗散系數Tab. 2 Energy dissipation factor of SMA pseudo-rubber metal

表2數據顯示，在0.5 mm位移幅值時，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數基本維持在 0.3左右；在 3 mm位移幅值時，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數維持在 0.13左右，隨加載頻率變化都很小．其他加載頻率下，變化趨勢也大致相同．說明當位移幅值相同時，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數受加載頻率影響不大．因為 SMA金屬橡膠作為一種摩擦耗能元件，其干摩擦力大小是由金屬絲之間的摩擦系數決定的[4]．而摩擦系數是材料的固有特性，與加載頻率無關．所以在位移幅值不變的情況下，即使加載頻率變化，其能量耗散系數也基本維持不變．

在 0.5Hz加載頻率下，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數隨位移幅值從0.3一直降低到0.14，約下降了50%；在2 Hz加載頻率下，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數隨位移幅值從 0.28一直降低到0.12，也降低了 50%左右．說明在相同頻率下，能量耗散系數隨位移幅值的增大而減小．因為 SMA金屬橡膠內部金屬絲之間摩擦力由摩擦系數決定，而摩擦系數是材料固有特性，基本維持不變，因此在相同變形內 SMA金屬橡膠元件所耗散的能量△W相同，但計算能量耗散系數的最大變形能W(因剛度隨位移增大而極具增加)隨位移增大而極具增大，所以在相同頻率下，SMA金屬橡膠元件隨位移幅值增大而減小．

1.2 振動臺試驗

為研究探討 SMA金屬橡膠減振器的減振效能，利用WS-Z30小型精密振動臺系統，對由二組性能完全相同的 SMA金屬橡膠元件、外殼、連接桿和連接固定等組成的 SMA金屬橡膠減振器進行地震模擬振動臺試驗，SMA金屬橡膠減振器垂直安置在振動臺上，試驗時振動臺垂直向輸入地震動分量．圖 3為 SMA金屬橡膠減振器振動臺試驗圖，在 SMA金屬橡膠減振器上面固定 1kg配重塊，在配重塊上固定一個加速度傳感器，采集其豎向絕對加速度時程，在振動臺面上固定一個加速度傳感器，采集振動臺面豎向的絕對加速度時程．

圖3 SMA金屬橡膠減振器振動臺試驗圖Fig.3 Shaking table test of SMA pseudo-rubber metal

1.2.1 地震動輸入

試驗所用地震動為EL Centro波和臥龍波，EL Centro波包含頻譜成份豐富，臥龍波是四川 5.12大地震典型地震動，故選取該兩條波進行試驗測試SMA金屬橡膠減振器的減振效能，其主要特性如表3所示．

表3 輸入地震動的主要特性Tab.3 The main feature of input seismal motions

1.2.2 傳導比

傳導比γ為輸出加速度峰值與輸入加速度峰值的比值，是表征 SMA金屬橡膠減振器減振效能的重要參數之一．

表4 SMA金屬橡膠減振器傳導比Tab.4 Transmission radio of SMA pseudo-rubber metal

根據圖4和表4顯示輸入的地震動中，傳導比的值均小于1，在EL CENTRO波地震動下，得到的傳導比僅在 0.35左右，減振效果十分明顯，在輸入臥龍波地震動下，得到的傳導比大約在 0.75左右，減振效果較好．說明 SMA金屬橡膠減振器在EL CENTRO波和臥龍波地震動作用下，減振效能較好．但是在兩種地震動作用下，傳導比不同，說明在具有不同頻譜特性的地震動作用下，SMA金屬橡膠減振器的減振效能各不相同．綜上所述，SMA金屬橡膠減振器具有耗能減振功效．

圖4 SMA金屬橡膠減振器輸入與輸出加速度時程對比圖Fig.4 The comparison of input and output Acceleration time histories of SMA pseudo-rubber metal damper

3 結論

本文針對所提出的 SMA金屬橡膠減振器，通過 SMA金屬橡膠元件力學特性的擬靜力試驗和SMA金屬橡膠減振器的地震模擬振動臺試驗研究，得到以下結論：

(1)在相同加載頻率下，SMA金屬橡膠元件的剛度隨位移幅值的增大而增大．當變形較小時，SMA金屬橡膠元件剛度受加載頻率影響不大，當變形較大時，SMA金屬橡膠元件剛度隨加載頻率的增大而增大．

(2)SMA金屬橡膠元件的能量耗散系數基本不受頻率影響；但隨著位移幅值增大，SMA金屬橡膠元件能量耗散系數減小．

(3)在輸入的地震動中，傳導比γ均小于1，其減振效果明顯．但對于不同的地震輸入，SMA金屬橡膠減振器的減振效能各不相同．因此對于不同的地震輸入和不同的結構，要針對不同的地震動頻譜特性和結構特點，對 SMA金屬橡膠減振器的力學參數（剛度、阻尼特性等）進行專門的設計，避免 SMA金屬橡膠減振器在地震作用下產生近似類共振．

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