黄旭东：具有形状记忆合金的创新隔离轴承

具有形状记忆合金的创新隔离轴承

黄旭东

 

摘要：本文提出了一种使用形状记忆合金元素的新型隔离装置概念，以评估其应用的可能性，并研究与传统隔离装置相比达到结构设计目标的有效性。由标志形状关系可以描述的超弹性效应引起的非线性滞后提供补充阻尼，减少由原始形状恢复给出的残余变形，以及限制传递到连接元件的力。然后通过数值分析比较了SMA轴承系统和“传统”轴承系统的响应及其对全局结构响应的有效性的设计装置过程。

关键词：非线性滞后；形状记忆合金；超弹性效应

 

1.形状记忆和超弹性效应

形状记忆合金（SMA）是一种新型功能材料，在许多领域越来越多地应用。形状记忆转化的第一个记录是观察金镉中的可逆相变，但是在镍钛中发现了形状记忆效应。在各种合金中，镍钛具有优异的热机械和热电性能，是最常用的SMA。

SMA显示的最重要的属性是形状记忆和超弹性效应。这些是SMA的可逆相变的结果。SMA中的两个晶体结构：奥氏体，高温稳定，马氏体，低温稳定。在低温阶段，SMA表现出形状记忆效应。当马氏体中的SMA受到外部应力时，它们通过所谓的双向机制变形。从其马氏体形式，SMA容易变形到几倍的应变。卸载会导致残余应变，如（图1a）所示。在其高温形式下，SMA呈现超弹性效应。最初在奥氏体中，马氏体在加载超过一定的应力水平时形成，导致（图1b）所示的应力平台。然而，在卸载时，马氏体变得不稳定，导致奥氏体的变形回复到原始未变形的形状。

                        （a）                     （b）

图1：形状记忆效应（a）和超弹性效应（b）的理想应力-应变曲线。

 

2.SMA技术在隔离应用中的可行性

“形状记忆合金装置”是指以非线性的水平力-位移关系为特征的轴承系统，其可以由标志形状的滞后来描述，如图2所示。

图2：SMA超弹性力-位移模型

表征设备非线性行为的关键参数如图2所示：

  ，，，分别是初始刚度，负载中的第二刚度和卸载中的第二刚度和第二硬化刚度；

  ，，，分别是设备的剪切和位移以及设备的屈服剪切和位移，而是设备可以不断裂的最大横向力；

  是发生第一次变换（当加载时）的力水平与第二次转换（当它被卸载时）发生的力的水平之间的横向力差；因此是测量标志形滞后的耗散能力的参数。

我们认为这种装置在张力和压缩方面都是相同的，这意味着力-位移关系是对称的，在第一和第三象限之间是起源的。

 

2.1 SMA技术隔离装置设计

为了评估在基础隔离中使用SMA技术的可行性，我们假定能够基于水平力-位移关系的超弹性效应来设计制造任何SMA轴承。

表1：导线橡胶轴承直径500 mm（a）和弹塑性模型参数（b）

                    （a）                          （b）

考虑到铅橡胶轴承的性能，我们模拟了等效SMA隔离器的理想化设计。从实际装置的弹塑性模型开始，如表1所示，我们使用参考图2中滞后的等效标志形状模型。一直与最新一致，我们使用表2中总结的参数来描述SMA装置的力-位移关系。

表2：SMA轴承的标志形状模型参数（相当于LRB直径500 mm）

对于图2中的模型，我们考虑，这意味着该装置在旗形高原中的装载和卸载具有相同的刚度，并且我们假设在高架高度可用的大的延展性，因此 最终的硬化发生在离我们关心的位移区域很远的地方。最后，考虑到= 95％，我们要考虑标志形滞后的大损耗能力。

 

2.2不同滞后隔离装置的有效响应评估

为了研究形状记忆合金隔离器器件的响应，并将其与等效的经典铅橡胶轴承的响应进行比较，我们进行时间历程分析。考虑到与实际铅橡胶轴承的性能一致的模拟项目，设计了一个隔离结构，考虑到刚性上层结构方法，假设所有位移发生在隔离系统水平，我们执行分析集。因此，该系统可以被建模为单个自由度系统，其中上层建筑仅作为附加质量参与。

我们重复分析三次，考虑隔离系统建模：

  弹塑性模型（图3a）：它是真正的铅橡胶轴承装置的代表，我们使用的参数是表1a中报告的参数；

  旗形模型（图3b）：它再现了形状记忆合金装置的剪切-水平位移关系，其特征在于表2中报道的设计特性。我们的目标是在等效剪切和位移能力以及初始和第二刚度的意义上执行类似于实际LRB系统的设备；

  线性弹性模型（图3C）：给定设计位移和设计剪切，对于以前的模型而言，我们考虑等效线性系统。

           （a）                  （b）                  （c）

图3：铅橡胶轴承（a），形状记忆合金（b）和等效线性弹性与割线刚度（c）隔离装置的基准剪切水平位移模型

考虑到等效正割刚度中的5％弹性阻尼，我们对弹性阻尼分量进行建模。关于非线性模型，我们考虑一个恒定的阻尼比（与初始刚度成比例），以便如果位移历史相同，则相对于前一个具有相同的阻尼能量。事实证明，鉴于不同的临界阻尼，具有相同的标称损耗能力，弹塑性和标志形模型的阻尼比阻尼比必须等于2.2％。具有相同弹性耗散能力的原因是在结果比较中是一致的，并且在能量平衡，位移和力需求减少方面得到滞后效应的估计。

我们使用七个自然地面运动进行分析，与Eurocode 8光谱= 0.25g和土壤C，5％弹性阻尼比类型1兼容，如表3。

表3：分析中考虑的地面运动记录

 

2.3时间历史分析结果

考虑到力和位移时间历史需求和系统能量平衡，我们对标志形状，弹塑性和线性弹性系统进行比较。相对于线性弹性等效系统，弹塑性和标志形状系统的基础剪切和位移要求降低（图4a-b）。这是一个预期的结果，因为线性弹性模型再现了隔离系统没有任何能量耗散（图4c）。

              （a）                 （b）                  （c）

图4：三个模型在位移（a）和力（b）对时间和力-位移关系（c）的响应

特别是我们对力和位移减小因素感兴趣，这些因素是考虑到由线性弹性剪切刚度模型给出的实际滞后力-位移关系的要求之间的比率（图5a-b）。在概念上，分析条件中的缩减因子代表滞后能量耗散的有效性。此外，我们及时评估系统的能量平衡，查看总输入量的滞后耗散能量，如图5c所示。

 

         （a）                （b）                    （c）

图5：Tabas（FP）记录的三个系统之间的最大位移（a）和力（b）减小因子和能量平衡比较（c）

 

3.结论

对形状记忆合金技术应用于隔离装置的可行性进行调查。从时间历史分析的反应数据的评估被认为是研究这个问题的最合适的方法。我们已经将代表传统的铅橡胶轴承装置的模型的行为与形状记忆技术装置的行为和等效的线性弹性模型进行了比较。结果表明，以旗形滞后为特征的隔离系统的整体行为接近弹塑性隔震系统的响应。特别地，对于大的SMA耗散能力，LRB和SMA模型的相对于线性弹性正割模型响应的位移和力的减小因子非常相似。而在吸收能量方面，输入能量比的差异也很小。

鉴于这些结果，本研究得出的结论是SMA在抗震隔离方面的应用是可行的，可以带来几个优点。SMA器件的特征在于能量耗散，数值研究表明，其对响应的影响与实际高耗散器件的耗散相当。

此外，SMA装置具有良好的重新设计能力，这是因为在这项工作中已经考虑到超弹性效应，或者由于形状记忆效应，如果由于任何原因仍然存在一些残余物，则可以提供进一步的恢复力。