超彈性SMA絲力學性能試驗及新型阻尼器設計

賓 帥，孫洪鑫，王修勇，禹見達，楊國松

（湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭 411100）

超彈性SMA絲力學性能試驗及新型阻尼器設計

賓 帥，孫洪鑫*，王修勇，禹見達，楊國松

（湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭 411100）

通過大量工況下的超彈性形狀記憶合金絲循環拉伸試驗，分析不同絲徑、循環次數、加載速率、應變幅值、環境溫度等因素對超彈性SMA應力應變曲線及各力學性能參數的影響，得出影響SMA超彈性性能的主要因素及變化規律.結果表明，應變幅值和加載速率是影響SMA耗能能力的主要因素，且經一定次數循環拉伸訓練后SMA能具備穩定的耗能阻尼性能，是制作阻尼器用于結構振動控制的理想材料.基于應變幅值對SMA絲耗能效果的影響，文章設計了一種位移旋轉放大型SMA阻尼器，能放大SMA絲的變形，增強其在結構小位移時的耗能效果.

形狀記憶合金；超彈性；力學性能；影響因素；SMA阻尼器

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱SMA）是近年來吸引工程界眾多學者廣泛研究應用的一種重要新型功能材料，具有超彈性、高阻尼特性、較大的可恢復變形能力，以及耐腐蝕抗疲勞等顯著特點［1－2］.它的超彈性效應表現為當溫度大于奧氏體相變完成溫度時，在外力作用下形狀記憶合金具有比一般金屬大得多的變形恢復能力，即加載過程中產生的大應變會隨著卸載而恢復到初始狀態.超彈性SMA即材料本身相變溫度低于常溫，以使其超彈性效應在現實應用中能得到更好發揮.

當前，國內外學者陸續開展了不少關于SMA性能試驗和應用研究的工作［3－12］.左曉寶［3］、錢輝等［4］進行了考慮溫度等因素的SMA絲力學性能試驗；張紀剛［5］通過設計不同臺形的組合連接關系研制了一種錐形SMA阻尼器；OZBULUT［6］、錢輝［7］、薛素鐸等［8］進行了復合摩擦型SMA阻尼器的設計與試驗研究；禹奇才等［9］提出了一種放大位移型SMA阻尼器；李惠等［10－11］進行了新型SMA阻尼器的設計分析與減震性能研究；DIENG等［12］還研究了用超彈性SMA絲制作阻尼裝置用于斜拉索振動控制的效果.SMA阻尼裝置不斷被研究發展，但其中多數不具備放大SMA變形的功能.為此，本文詳細比較了不同直徑SMA絲的滯回耗能效果，探究不同循環次數、加載速率、應變幅值、環境溫度等各影響因素對SMA滯回曲線和力學參數的影響，進而分析了SMA的力學行為的主要影響因素和變化規律；并基于SMA耗能性能特點，開發設計了一種位移旋轉放大型SMA阻尼器，能將SMA絲的變形放大為外部結構位移的若干倍，增強了SMA絲在結構小位移時的耗能效果發揮.

1 SMA性能試驗

1.1 試驗概況

本試驗選取超彈性NiTi形狀記憶合金絲，合金成分Ti－50.8at%Ni，奧氏體相變完成溫度Af為－5℃，絲徑分別為1 mm、2 mm，試件長為180 mm，標距為100 mm.試驗裝置采用MTS Landmark電液伺服試驗機系統，試驗過程采用簡諧波做循環拉伸，由計算機自動控制，試驗結果由計算機自動采集.為保證試樣夾緊且伸直，試驗前對SMA絲施加微預應力以張緊.

1.2 試驗方法

對超彈性SMA絲進行大量工況下的循環拉伸試驗，考慮不同絲徑、循環次數、加載速率、應變幅值以及環境溫度等因素對超彈性SMA絲力學性能的影響，對實驗數據處理分析了滯回耗能量、各態相變應力、殘余應變等力學性能參數.考慮不同因素下的各工況，具體加載工況見表1（除工況1、4、7外，均經加載速率0.1 Hz、應變幅值7%的30次循環拉伸訓練后再進行試驗）.

表1 試驗工況Table 1 Experimental items

2 試驗結果與分析

2.1 循環次數對SMA絲力學性能的影響

設試驗力－位移曲線所包圍的面積為耗散能量ED.等效粘滯阻尼系數Ceq＝ED／πωρ2，式中，ED為能量耗散、ω為振動頻率、ρ為位移幅值.

以試驗工況（表1）中工況1下（應變幅值6%，加載速率為0.5 Hz、0.1 Hz時）的試驗結果為例，得出的SMA應力－應變曲線、滯回耗能關系曲線、等效阻尼系數關系曲線等見圖1.

2.2 加載速率對SMA絲力學性能的影響

以試驗工況表中工況2、工況5的試驗結果得出不同加載速率下的SMA應力－應變曲線、滯回耗能關系、等效阻尼系數關系見圖2.

2.3 應變幅值對SMA絲力學性能的影響

以試驗工況表中工況3、工況6的試驗結果得出不同應變幅值下的各參數關系曲線，見圖3.

圖1 循環次數對SMA絲各力學性能參數的影響Fig.1 Effect of cyclic number on mechanical properties of SMA wire

圖2 加載速率對SMA絲各力學性能參數的影響Fig.2 Effect of loading rate on properties of SMA wire

2.4 不同絲徑的影響

直徑1、2 mm的SMA絲在6%、7%、8%幅值下循環拉伸30次后的力－位移曲線對比見圖4.圖中1 mm絲徑的曲線沿位移方向呈狹長狀而2 mm絲徑的曲線沿力方向呈狹長形.2 mm絲徑的不同幅值下曲線近似平移，且殘余應變較1 mm絲徑時大很多.

2.5 環境溫度的影響

以試驗工況表中工況2、工況8得出的不同環境溫度下的試驗結果見圖5.

3 位移旋轉放大型SMA阻尼器設計

3.1 新型SMA阻尼器結構設計

基于上述材料性能試驗分析，應變幅值是影響SMA耗能效果的最主要因素且其高效耗能應變幅值區間較大；同時，考慮到采用預拉的方法既難于實現，不便應用又會損失和弱化SMA絲的耗能效果，為能更充分地發揮SMA阻尼器在結構小位移時的耗能應用效果，本文通過加入滾珠絲杠的應用，設計了一種位移旋轉放大型形狀記憶合金阻尼器，其結構構造見圖6.

圖3 應變幅值對SMA絲各力學性能參數的影響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阻尼器的運作原理：當推拉桿（即滾珠絲杠螺桿）受到拉壓力產生軸向相對運動時，滾珠絲杠螺桿的推拉來回直線運動通過內部機構轉換成滾珠絲杠螺母的正反向旋轉運動，滾珠絲杠螺母旋轉帶動超彈性SMA絲旋轉拉伸，從而實現SMA絲位移行程的放大.該阻尼器通過位移旋轉裝置既能保證SMA絲的始終受拉和自復位，還能將SMA絲的變形放大為外部結構位移的若干倍，使耗能裝置在結構相對位移較小時同樣具有較大的變形量，由此拓寬了SMA阻尼器的工程應用范圍.

圖4 直徑2 mm SMA絲在各因素下的曲線關系圖Fig.4 Curve diagram of diameter 2 mm SMA wire under various factors

圖5 環境溫度對SMA絲的影響Fig.5 Effect of environmental temperature on SMA wire

圖6 位移旋轉放大型SMA阻尼器的結構構造圖Fig.6 Structure diagram of SMA damper with displacement rotation and magnification

3.3 新型SMA阻尼器結構參數優化

該阻尼器安裝前，可根據實際工程結構的振動控制要求選用不同的機構參數，以此來確定SMA絲位移行程放大幅度，實現不同的效果，旋轉機構參數見圖7.

圖7 旋轉機構參數示意圖Fig.7 The rotating mechanism parameters diagram

推導可知在外部相同直線位移下，本文新型阻尼器SMA絲的變形放大系數：

圖8 放大系數隨滾珠絲杠導程變化的關系圖Fig.8 The relationship diagram of the amplification coefficient with the change of the ball screw lead

（2）當選取滾珠絲杠螺桿的導程l＝4 mm時，直線位移變化l／2＝2 mm，放大系數n隨直線位移變化的關系如圖9.表明該符合現實工藝條件的備選導程合理適用、放大效果佳.

圖9 放大系數隨直線位移變化的關系Fig.9 The relationship between the amplification coefficient and linear displacement

4 結 論

（1）經數十次循環拉伸訓練后，SMA絲殘余應變極小，耗能性能趨于穩定，且對比發現經加載速率0.1 Hz的訓練后材料耗能效果更佳.不同直徑SMA絲的滯回曲線變化趨勢大致相同，而絲徑1 mm時的屈服平臺更為明顯，選用直徑1 mm SMA絲的超彈性及滯回耗能效果相對更好.SMA絲耗能量隨加載速率增加呈不同幅度的減小，加載速率較小時加、卸載屈服平臺更為明顯.在常溫環境下，滯回耗能量隨溫度變化的影響很小，為進一步阻尼器制作應用的參數確定（如選用絲徑）及適用條件（如環境溫度、加載速率可行區間）提供了基礎.

（2）應變幅值是影響超彈性SMA絲耗能能力的最主要因素.SMA絲耗能量隨應變幅值的增大而顯著增加，SMA絲在大應變時的耗能效果發揮更為充分.

（3）基于SMA材料性能特點，設計了一種位移旋轉放大型SMA阻尼器，并進行了結構參數優化和放大效果分析.該阻尼器既能保證SMA絲的始終受拉和自復位，又能放大SMA絲的變形，增強在結構小位移時的耗能效果發揮.

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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

【責任編輯：陳 鋼】

1671-4229（2015）05-0061-06

2015－07－10；

2015－08－17

國家重點基礎研究發展計劃資助項目（2015CB057702）；國家自然科學基金資助項目（51508185）；湖南科技大學研究生創新基金資助項目（S140015）

賓 帥（1991-），男，碩士.E-mail：shuai0809＠yeah.net

*通信作者.E-mail：cehxsun＠126.com