超弹性SMA丝力学性能试验及新型阻尼器设计

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新型材料―形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用

新型材料―形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用摘要形状记忆合金（SMA）是一种在结构振动控制领域具有广阔应用前景的智能材料。

本文介绍了形状记忆合金最显著的两个特性：形状记忆效应和超弹性，并详细总结了形状记忆合金在结构振动控制中的应用。

关键词：形状记忆合金；减振；应用abstract形状记忆合金是一种智能材料，在结构振动控制领域有着广阔的应用前景。

本文介绍了形状记忆合金的两个重要特性：形状记忆效应和超弹性，总结了其最新的应用说明。

关键词：形状记忆合金；阻尼；应用1前言形状记忆合金是一种新型功能材料，具有许多特殊的力学性能。

与其他金属耗能器相比，采用形状记忆合金超弹性效应（SE）设计的被动耗能器具有耐久性好、耐腐蚀性好、使用寿命长、变形量大、变形恢复快等一系列优点，因此在结构振动控制领域具有良好的应用前景[1-4]。

形状记忆合金被设计成耗能器用于土木工程结构的振动控制是从上世纪90年代初开始的,并且到目前为止,大多数研究主要针对形状记忆合金的超弹性性能展开。

例如,graesser[5]等人提出的用于桥梁结构的2形状记忆合金的发展历史形状记忆合金的形状记忆效应早在1932年就被美国学者olander在aucd合金中发现了，在1948年苏联学者库尔久莫夫等曾预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变，在1951年张禄经和t.a.read报道了原子比为1:1的csci型aucd合金在热循环中会反复出现可逆相变，但是都未引起人们足够的注意。

形状记忆合金是一种新型功能材料，1963年成为一个独立的学科分支。

当时，美国海军武器实验室W.J.Buehler博士领导的研究团队发现，由于温度不同，镍钛合金的工作性能有显著差异，这表明合金的声学阻尼性能与温度有关，通过进一步研究，研究发现，原子比接近等的Ni-Ti合金具有良好的形状记忆效应，并报道了X射线衍射的研究结果。

后来，镍钛合金作为商品进入市场，原子比几乎相等的镍钛合金商品被命名为镍钛诺。

超弹性形状记忆合金丝NiTi力学性能的试验研究

超弹性形状记忆合金丝(NiTi )力学性能的试验研究左晓宝李爱群　倪立峰陈庆福(南京理工大学,东南大学)(东南大学)(江苏法尔胜集团公司)摘要:从土木工程振动控制的角度出发,通过NiT i 形状记忆合金丝处于超弹性状态下的力学性能试验,研究温度、加载速率、应变幅值、循环次数等加载工况对形状记忆合金的相变应力、耗能能力、变形模量及残余应变等力学性能参数的影响规律,并给出了各力学性能参数与主要影响它的加载工况之间的关系。

试验和分析结果表明,处于超弹性状态下的形状记忆合金具有良好的耗能阻尼性能、较大的可恢复变形能力和很高的结构驱动能力,可满足土木工程结构振动控制的需要。

关键词:形状记忆合金;智能材料;超弹性;力学性能;振动控制中图分类号:T U31113,P3151976 文献标识码:A 文章编号:10002131X (2004)1220010207AN EXPERIMENTA L STU DY ON THE MECHANICA L BEHAVIOR OF SUPERE LASTIC NiTiSHAPE MEMOR Y A LLOY WIRESZuo Xiaobao1,2　Li Aiqun 2　Ni Lifeng 2　Chen Qingf u3(1.Nanjing University of Science and T echnology ,2.S outheast University ,3.Jiangsu Fasten G roup C om pany )Abstract :An experimental study is com pleted on the mechanical behavior of specimens of superelastic NiT i shape mem ory al 2loy (S M A )wires for vibration control in civil engineering.T em perature ,strain rate ,strain am plitude and cyclic number are considered as test parameters to investigate their effects on the mechanical parameters such as phase trans formation stress ,ener 2gy dissipation ,effective stiffness and residual strain.The relation ship between every mechanical parameter and its correspond 2ing loading factor is proposed.The experimental results show that the characteristics of the superelastic S M A wire ,such as high energy dissipation ,large restoring deformation and high driving force ,are suitable for vibration control in engineering.K eyw ords :shape mem ory alloy ;smart material ;superelasticity ;mechanical behavior ;vibration control收稿日期:2002212223,收到修改稿日期:2004205210国家自然基金重点项目:(50038010)1　引言结构的振动控制是当今土木工程界关心的重点问题之一,人们总是在探求各种方法来减轻振动给工程结构带来的危害。

SMA耗能阻尼器性能测试与回归分析

42 2
三峡大学学报( 自然科学版)
外侧合金丝作张拉运动; 反之, 当牵引杆向内压缩时, 内侧合金丝作张拉运动, 外侧合金丝作回缩运动. 阻尼器的力学计算模型简图见图 2.
2007 年 10 月
图 2 阻尼器力学计算模型
试验中阻尼器 SMA 丝的有效工作长度为 450
mm , 预拉应变率为 3% , 其预应变拉伸长度为 13. 5 mm,
Fi -
F X
mX
m
i
=
a(
X
2 i
-
X
2 m
)
(
i
=
1, 2,
, n) ( 1)
建立关于二次曲线系数 a 的矩阵方程 B= Aa, 则
a = ( AT A- 1 ) ( AT B)
( 2)
由最小二乘法求出 a 的解后, 再求出 b 和 c.
当最大行程大于或等于 5. 5 mm 时, 设直线与二
次曲线在交点 L ( x 0 , y ) 处连续光滑, 且 x 2 < x 0 < x 1 ,
11~ 12
X12F 001 X12F005
X12F 01
X1 2F0 2
X12F03 X11. 6F 05 X11. 6F06 X11. 6F07
2 阻尼器滞回特性经验公式的建立
2. 1 滞回曲线的非线性方程拟合分析阻尼力与行程的滞回曲线图, 发现最大行程
小于 5. 5 mm 和最大行程大于或等于 5. 5 mm 的图形有较大的区别, 由此设想用两种方案拟合图形: 最大行程小于 5. 5 mm 的图形曲线比较光滑, 与抛物线比较接近, 利用抛物线对图形进行拟合; 当最大行程大于等于 5. 5 mm 时, 图形出现明显的拐点, 斜率发生突变, 将滞回曲线进行分段处理, 分别用抛物线和直线进行拟合.

超弹性形状记忆合金棒力学性能的实验研究

超弹性形状记忆合金棒力学性能的实验研究任文杰;王利强;贾俊森;贾茹【摘要】对超弹性形状记忆合金(SMA)棒进行力学性能实验,研究了荷载循环、应变幅值和荷载频率对其滞回曲线以及耗能量、损耗因子、残余应变的力学参数的影响.结果表明,应力-应变曲线在循环加卸载中逐渐变化并趋于稳定；耗能量和损耗因子均随应变幅值的增加而增加,随荷载频率的增加而减小；稳定的SMA棒的超弹性、耗能能力和阻尼性能均较差,但其输出力较大,故可作为复位或限位装置用于土木工程中.%Experiments on the mechanical behavior of the superelastic SMAbar are performed. Cyclic number, strain amplitude and loading frequency are considered to investigate their effects on the hysteretic curve and the mechanical parameters, such as energy dissipation per cycle, loss factor and residual strain. The results show that the stress-strain curve changes gradually to reach an approximately steady state with the increasing number of loading cycles. As strain amplitude increases, the energy dissipation and the loss factor increase. As loading frequency increases,the energy dissipation and the loss factor decrease. The steady superelastic SMA bar has the poor capabilities of superelasticity, energy dissipation and damping property, so the material can be used as recentering devices or restrainers in the civil engineering.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2013(044)002【总页数】4页(P258-261)【关键词】形状记忆合金棒;超弹性;力学实验【作者】任文杰;王利强;贾俊森;贾茹【作者单位】河北工业大学土木工程学院,天津300401;河北省土木工程技术研究中心,天津300401;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;天津职业技术师范大学电子工程学院,天津300222;河北工业大学土木工程学院,天津300401;河北省土木工程技术研究中心,天津300401;河北工业大学土木工程学院,天津300401;河北省土木工程技术研究中心,天津300401【正文语种】中文【中图分类】TG139+.6;TU352.1+11 引言形状记忆合金(shape memory alloy，简称SMA)是一类对形状有记忆功能的机敏材料，其在奥氏体相表现出的超弹性，可恢复应变大，具有良好的耗能和阻尼能力，且强度高，抗腐蚀、抗疲劳性好，已广泛应用于电子、机械、医疗、航空航天等行业，近几年在土木工程领域也得到研究与应用。

SMA弹簧驱动性能测试装置总体设计

重庆理工大学专业设计SMA弹簧驱动性能测试装置整体设计学号: 姓名: 专业: 学院: 指导老师: 11004020XXX德尔机械设计机械工程学院XX中国•重庆2014年1月前言形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,简称SMA是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形变后，当加热到某一临界温度以上时又可以恢复到初始状态的一类合金。

其优良特性：形状记忆效应(Shape Memory Effect ,简称SME与相变伪弹性。

SM集感知和驱动于一体，通过加热和冷却可使SM材料/结构具有感知、判断、执行和自适应的能力。

根据文献调研，形状记忆合金螺旋弹簧因能输出较大的力、较大的驱动位移等优点，使其在微型机器人及微驱动系统等领域具有独特的应用前景。

因此，对SM螺旋弹簧力学特性和SMA 驱动器的研究，有助于促进SM材料在工程中更广泛的应用。

主要内容如下：对SM螺旋弹簧的驱动特性及双程SM驱动器的动作原理进行分析，给出了电热SM 螺旋弹簧双程驱动器的一般设计方法。

设计了一种直线式电热SM驱动器，对其运动分析，并建立了适用于本驱动器的驱动力学方程。

然后对驱动器进行测试，并与所建立的驱动力学方程在MATLAB7•中的理论结果进行对比、分析，验证了所建立的驱动力学方程的可行性。

对形状记忆合金弹簧的力学性能进行了分析，建立了形状记忆合金弹簧感温与驱动特性实验测试方法，分别对形状记忆合金弹簧在温度作用下的输出力和输出行程进行了实验分析。

分析了形状记忆合金驱动器的原理和设计方法，建立了偏动式形状记忆合金驱动器驱动力大小及输出行程与温度、应力应变、材料参数及尺寸参数等的关系。

目录第一章、绪论 (3)第二章、热效应下形状记忆合金（SMA弹簧性能分析 (5)2.1基本数据和原理 (5)2.2形状记忆合金弹簧特性实验 (7)第三章、电热形状记忆合金（SMA驱动器设计制作 (13)3.1驱动器制作 (13)3.2驱动器试验器材与内容 (15)3.3试验结果与分析 (17)3.4试验误差分析 (19)第四章、结论 (21)第五章、参考文献 (22)第一章、绪论形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy ,简称SMA是一种温控型的具有形状记忆功能的合金，在低温时产生塑性变形，温度升高后并能恢复原所记忆形状的能力。

新型SMA阻尼器在古塔抗震监测中的应用

新型SMA阻尼器在古塔抗震监测中的应用王凤华;黄襄云;王伟明【摘要】利用形状记忆合金(SMA)的超弹性滞回耗能特性,设计出一种适合古塔抗震监测的新型SMA阻尼器,通过从试验得出的SMA阻尼器恢复力公式,建立SMA 阻尼器电阻特性简化模型,得出其器恢复力和SMA丝电阻之间的关系,再通过安装了SMA阻尼器的受控古塔结构运动方程,算出古塔每个质点的位移,从而判断古塔在地震中的震害情况,实现对古塔的健康监测,为古塔等类似古建筑结构的抗震加固和健康监测提供借鉴.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2015(037)001【总页数】3页(P55-57)【关键词】新型SMA阻尼器;古塔;抗震;监测【作者】王凤华;黄襄云;王伟明【作者单位】广东建设职业技术学院,广州510440;广州大学工程抗震研究中心,广州510405;广东建设职业技术学院,广州510440【正文语种】中文【中图分类】TU352.1古塔历史悠久，体现了我国古代建筑技术杰出成就［1－3］，其抗震保护方法也和一般建筑物完全不同，它是一门独特的、且专业性很强的综合性技术。

国内外对古塔灾变保护的研究仍处于起步阶段，许多关键理论和关键技术问题并没有解决。

因此，要在尽量保持古塔历史、艺术、文物和科学价值的前提下，遵循“保护第一”和“修旧如旧”的古建筑保护原则，对古塔结构进行抗震监控与保护，准确掌握现存古塔结构的抗震保护机理以及实时监控其在地震或强风等作用下的灾害破坏过程，同时又能有效地提高其抵抗各种强灾害的能力，以确保现存古塔建筑的完整性和结构可靠性，使之能够久远地传承下去，现代结构振动控制理论和性能良好的形状记忆合金材料为我国古塔的抗震监控与保护提供了一个新途径。

目前，国内外很多学者已经在这方面开展了的理论和方法研究［4－7］，本文根据古塔的特点设计了适合古塔抗震监测的新型SMA阻尼器，把它作为传感和驱动器，安装在古塔结构中，通过测量阻尼器中SMA丝的电阻，感知材料内部的应变状态，从而推测古塔是否处于危险状态，实现对古塔的健康监测。

新型SMA阻尼器及结构减震控制应用研究的开题报告

新型SMA阻尼器及结构减震控制应用研究的开题报告
一、选题背景
地震是一种常见的自然灾害，它给人们的生命财产造成了巨大的威胁和冲击。

当建筑物遭受地震冲击时，会产生严重的地震损伤和威胁人们的安全。

因此，研究并开
发新型结构减震技术已成为解决建筑地震安全问题的重要途径。

二、研究任务
本研究将从两个方面入手，一方面研究新型SMA阻尼器在结构减震中的应用；
另一方面研究结构减震控制技术的应用方法和优化策略，以提高减震效果。

三、研究方法
本研究将采用实验室测试和数值模拟两种研究方法。

1. 实验室测试
本研究将搭建适合于进行结构减震技术研究的实验室，并安装新型SMA阻尼器。

通过对不同频率与振幅的外力加在建筑物上进行试验，测试新型SMA阻尼器的减震效果。

2. 数值模拟
本研究将采用有限元方法对建筑物进行数值模拟，并将新型SMA阻尼器等减震
控制技术引入模拟，以研究它们对建筑物在地震中的响应和减震效果。

四、研究目标和意义
1. 目标
(1) 研究新型SMA阻尼器在结构减震中的应用效果。

(2) 探究减震控制技术的应用方法和优化策略，提高减震效果。

2. 意义
(1) 研究新型结构减震技术在实际建筑中的应用，有助于提高地震安全性。

(2) 探究减震控制技术的应用方法和优化策略，有助于提高建筑物的减震效果。

(3) 该研究成果有助于推动结构减震控制技术的发展和推广，为地震灾害防治工
作做出贡献。

以上是对新型SMA阻尼器及结构减震控制应用研究开题报告的说明，希望对您有所帮助。

应用SMA-粘滞阻尼器的框架结构减震效果数值模拟分析

移，将此值代入下式即可求出滑块两侧Ａ、Ｂ两组
ＳＭＡ丝的应变量。
△ｘ
巳２岛＋Ｔ
缸
岛２岛一Ｔ
其中，岛为形状记忆合金丝的预应变，Ｌ为阻尼器
中两丝的长度，可分别求出Ａ、Ｂ两丝的应力万一、
ｏ＇８，则每组ＳＭＡ丝的恢复力可以表示为
Ｆｓ＝Ｆ＾一ＦＢ＝ｏ＇ＡＡ＾一ｏＢＡＢ
其中彳彳和凡为两根合金丝的面积。
可求得ＳＭＡ．粘滞阻尼器的力学模型，：Ｂ＋晟．Ⅲ
台的中点，使两根合金丝均产生预应变岛。本文设计的ＳＭＡ．粘滞阻尼器的结构示意图如图ｌ。
在框架结构底层，通过ａｎｓｙｓ软件数值模拟，得出ＳＭＡ．粘滞阻尼器有很好的减震效果。
１．２ＳＭＡ－粘滞阻尼器的工作原理结构在低频激励下，ＳＭＡ．粘滞阻尼器的ＳＭＡ
ＩＳＭＡ－粘滞阻尼器的研制
丝部分是主要承担耗能减震的作用；在高频激励
０引言
钢筋混凝土框架结构是在日常生活中最常见的建筑结构体系之一，也是应用最为广泛的，所以对其结构的在抗震领域中研究极为重要。本文应用一种有效的减震装置即ＳＭＡ．粘滞阻尼器，４将它放
利用ＳＭＡ丝的超弹性滞回耗能的特点，在普通油阻尼器的外壳上加装４组ＳＭＡ丝。每组２根ＳＭＡ耗能丝一端固定，另一端锚固在滑块上。通过调节固定端的螺丝，将形状记忆合金拉至超弹性平
王奇，刘海卿
（辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁阜新１２３０００）
摘要：利用形状记忆合金（ｓＭＡ）丝的超弹性滞回耗能能力和形状记忆效应与加载频率无明显关系的特点，设
计了一种新型￥ｌｔｔＡ一粘滞阻尼器，用ＡＮＳＹＳ软件对一个五层钢筋混凝土框架结构进行分析，并研究在地震作用下
结构的时程反应。通过模拟得出，ＳＭＡ一粘滞阻尼器是一·种有效的减震装置，将它应用于钢筋混凝士框架结构体系

超弹性NiTi丝的力学性能

超弹性NiTi丝的力学性能凌育洪;彭辉鸿;张帅【摘要】研究了常温下循环加载次数、应变幅值、加载速率等对NiTi形状记忆合金丝相变应力、单圈耗能、变形模量、等效阻尼比及残余应变等力学性能参数的影响规律.结果表明:在一定加载速率下,随着循环次数的增加,正、逆向相变应力均有降低,正向相变应力降低的幅度更大,正向相变应力在20个循环后趋于稳定,逆向相变应力在5个循环后趋于稳定;单圈耗能随循环次数的增加而减小,从第1圈到第30圈,能耗减幅达33%;残余应变随循环次数的增加而增大,第30圈时达饱和值0.4%;等效阻尼比随应变幅值的增加呈先增大后减小的趋势,幅值7%时达最大值,卸载模量随应变幅值增大而减小;加载速率影响材料的相变应力及耗能,相变应力随加载速率增加而增加,材料的耗能能力随加载速率增加而降低,但降低幅度不大.【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(038)004【总页数】6页(P131-135,155)【关键词】形状记忆合金;NiTi丝;超弹性;力学性能;应力-应变【作者】凌育洪;彭辉鸿;张帅【作者单位】华南理工大学,建筑设计研究院,广东,广州,510640;华南理工大学,土木工程系,广东,广州,510640;华南理工大学,土木工程系,广东,广州,510640【正文语种】中文【中图分类】TU311.3形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)是国内外学者广泛研究的新型功能材料,目前已广泛应用于电子仪器、汽车工业、医疗器械、空间技术等领域.SMA具有超弹性(PE)、形状记忆效应(SME)、高阻尼和高疲劳等特性,其特点如下:①SMA可恢复应变达到 6%～8%,而一般的材料是很难实现的;②SMA疲劳寿命可达106次,而普通金属材料在加卸载循环中一般不可避免地会出现损伤,疲劳寿命很短;③SMA 的耗散因子高达10-1数量级,而普通金属的耗散因子只有0.005左右[1-4].目前已经发现的形状记忆合金材料有上百种,其中最具有实用价值且比较常用的主要有NiTi形状记忆合金、Cu基形状记忆合金和Fe基形状记忆合金.与后两者相比,NiTi 记忆合金具有形状记忆效应与超弹性更好、疲劳寿命更长、生物相容性更优良等优势,因而得到最为广泛的研究和应用.SMA在土木工程振动控制领域的研究始于 20世纪90年代.目前,土木工程中研制开发的SMA装置主要是利用了SMA的超弹性效应,开发SMA被动阻尼器,安装在结构中耗散地震能量以减轻结构的地震响应.为了开发基于SMA的被动耗能装置,已有众多国内外学者对SMA的超弹性性能进行了试验研究,分析了SMA超弹性减震技术的机理.文献[5-9]研究了SMA的热力学特性,得到了其在温度和应力作用下的相变变化规律;文献[10-11]研究了温度、加载速度、应变幅值及循环次数对SMA超弹性力学性能(相变应力、单圈耗能、残余应变及等效阻尼比等参数)的影响,给出了材料耗能能力等力学参数受这些因素的影响规律.文中旨在测试一种国产NiTi合金丝的超弹性性能,并获取力学参数,为进一步开发新型 SMA被动阻尼器做准备.文中借鉴了文献[10]的研究思路,但实验方案以获取力学参数为目的.在室温下对NiTi丝进行了超弹性试验研究,探讨了循环次数、加载速度、应变幅值等因素对其力学性能的影响.1 实验1.1 材料实验所用材料由西安赛特有限公司提供.NiTi丝直径为1mm,化学成分为:Ni 55.8%,Ti 44.2% (质量分数);试件长度200mm,标距100mm.试件总数量为 6个,在所设计的试件中,随机抽取样品进行DSC(Differential Scanning Calorimeter)测试,测得材料的相变温度分别为:Mf=-40.8℃,Ms=5.3℃, As=-26.8℃,Af=12℃,其中Ms和Mf分别表示马氏体相变开始温度和结束温度;As和Af分别表示奥氏体相变开始温度和结束温度.由此可见,材料在室温下具有超弹性.1.2 实验方法实验时,主要考虑加载速率、应变幅值及循环次数等工况对SMA力学性能的影响,SMA的力学性能主要包括应力应变关系、相变应力、滞回耗能、变形模量、残余应变等.为了得到以上工况对这些参数的影响,制定了实验方案如表1所示.表1 加载方案1)Table 1 Loading low1)室温25℃,实验 2、3所用试件均已通过实验 1稳定材料性能.?实验在华南理工大学土木与交通学院实验室的INSTRON 5567万能电子试验机上进行,温度为室温(25℃).实验过程中,合金丝的应力应变分别由合金丝所受载荷和变形计算得出,载荷由固连在夹头上的力传感器获取,变形由位移传感器量测,实验中采用等位移(等应变速率)加载,由计算机自动控制,实验结果由计算机自动采集,实验装置如图1所示.图1 实验装置图Fig.1 Experimental setup2 结果与讨论2.1 实验典型曲线上的有关参数规定实验中,一个加卸载循环,典型的应力-应变曲线如图2所示.图2 实验中典型应力-应变曲线Fig.2 Typical stress-strain curve in the experiment加载时,OA段、BC段分别为奥氏体、马氏体弹性拉伸阶段,AB段为应力诱发马氏体相变阶段(奥氏体—马氏体);卸载时,CD段、EF段分别为马氏体、奥氏体弹性卸载阶段,DE段为应力诱发马氏体逆相变阶段(马氏体—奥氏体).图中σMs、σMf、σAs、σAf分别为马氏体相变开始、相变结束、奥氏体相变开始和结束时对应的应力;σu相当于极限抗拉强度;εres为残余应变;εl为加载时的最大相变应变,即屈服平台的长度;εu为极限拉应变.ΔW(OABDEF包围的面积)表示超弹性SMA在一个加卸载循坏内损耗的能量,W(OABGO包围的面积)为超弹性SMA在一个加卸载循坏内的总的应变能.这样,等效阻尼比可表示为其中:等效割线刚度K=(Fmax-Fmin)/(δmax-δmin), δ表示加卸载循环的位移幅值;Fmax、Fmin分别表示一个循环内的最大加载力和最小加载力;δmax、δmin分别表示最大和最小拉伸位移.实验结果分析中,力学参数的取值按照上述规定获得.文中研究了循坏次数、加载速率和应变幅值对σMs、εres、ΔW、ξeq等参数的影响.2.2 循环次数对SMA力学性能的影响循环次数对SMA力学性能的影响如图3所示.图3 循环次数对SMA力学性能的影响Fig.3 Effect of cyclic number on mechanicalbehavior of SMA由图3(a)所示的NiTi丝在循环加卸载中的滞回特性曲线可见,随着循环次数加,滞回曲线逐渐变光滑.加载平台(上屈服平台)在最初几个循环下降很快,约 20个循环后基本趋于稳定;而卸载平台(下屈服平台)变化比较小,约 5个加载循环后就趋于稳定;弹性加载段和弹性卸载段基本保持平行,可见,循环次数对弹性模量的影响较小,此外,在实验结果中还发现,随着循环次数的增加,材料的最大相变应变εl有逐渐减小的趋势. 从图3(b)可看出,4个相变应力均随循环次数的增加而逐渐减小,但减小的幅度和稳定的时间不等,正相变应力σMs、σMf降低幅度较大,而逆相变应力σAs、σAf降低幅度较小一些,正相变应力在 20个循环后趋于稳定,而逆相变应力在 5个循环后趋于稳定.从图3(c)可看出,NiTi丝单圈耗能能力随循环次数的增加而非线性减小,在最初的几次循环中,材料的耗能能力降幅很大,5个循环后耗能能力逐渐稳定下来,从第 1圈到第 30圈,耗能量由1385.7N◦mm降至926.8 N◦mm,减幅达到33%.从图3(d)可看出,残余变形在加载初期增长较快,约 20个循环后趋于稳定,30圈时基本达到饱和值0.4%.由此可见,循环次数对NiTi丝的力学性能影响较大,使用前需先稳定材料性能.也可以充分利用循环初期更优良的阻尼性能(较大的阻尼系数),在经历了一次振动激励(地震、风)后考虑形状记忆合金阻尼性能的衰减.2.3 应变幅值对SMA力学性能的影响在不同应变幅值条件下,NiTi丝的拉伸实验结果如图4所示.从图4(a)中可看出,随着应变幅值的增加,加载屈服平台的高度基本不发生变化,说明相变应力σMs受应变幅值的影响很小,而卸载屈服平台高度稍微有所下降.滞回环宽度几乎呈线性变化,因此滞回环的面积(即耗能)随着应变幅值的增加呈线性增加. 由图4(b)给出的单圈耗能随应变幅值变化的关系曲线可见,当应变幅值由 2%增加至 8%时,耗能能力几乎线性增加了 10倍,可见应变幅值是影响SMA耗能能力最重要的因素.图4(c)表明,材料等效阻尼比随应变幅值的增加而增加,在小应变幅值时,增加幅度较大,4%～7%时,增长缓慢,趋于稳定,应变幅值大于 7%后,等效阻尼比随应变幅值的增大而有所减小;同时由图4(c)可以看出,材料的弹性卸载变形模量随应变幅值的增加而减小,变形模量在相变应变范围内受应变幅值的影响较大,这主要是因为应变幅值越大,应力诱发马氏体相变的马氏体含量越高,导致了相应的变形模量减小.图4 应变幅值对SMA力学性能的影响Fig.4 Effectof strain amplitudeonmechanical behavior2.4 加载速率对SMA力学性能的影响在不同加载速率条件下,NiTi丝的拉伸实验结果如图5所示.从图5(a)中可看出,滞回曲线随加载速率的增加而逐渐向斜上方发展,在加载速率较小的情况下(0.1mm/s),材料的加载、卸载平台非常明显,但在在加载速率较大时,加载平台、卸载平台的斜率均明显变大.由图5(b)给出的相变应力随加载速率的变化曲线可见,随着加载速率的增加,4个相变应力均有不同程度的增加,其中奥氏体相变开始应力σAs增幅较大,另外 3个应力增幅较小.图5 加速率对SMA力学性能的影响Fig.5 Effectof strain rate onmechanical behavior由图5(c)给出的材料单圈耗能随加载速率的变化曲线可见,随着加载速率的增加,耗能能力降低,但降低的幅度较小,因此在实验加载频率范围内,可以忽略加载速率对材料耗能能力的影响.综合以上对该国产的NiTi形状记忆合金丝的实验和分析,与文献[10-11]得出的结论对比之后可以发现,NiTi丝超弹性性能受循环次数、应变幅值、加载速率等因素的影响规律是一致的,但对于不同厂家生产的NiTi形状记忆合金丝,其力学参数(耗能、弹性模量等)是不同的.3 结论(1)在一定加载速率下,随着循环加载次数的增加,4个相变应力均有降低,但降低幅度不相同,正向相变应力σMs、σMf降低的幅度更大,正向相变应力在 20个循环后趋于稳定,逆向相变应力在 5个循环后趋于稳定.(2)单圈耗能和残余应变随着循环次数的增加分别减小和增加,这两个参数均在头几个循环变化较大,但最后都趋于稳定.从第一圈到第 30圈,单圈耗能减幅达 33%,残余应变在第 30圈时达到饱和值0.4%.由此可见,当SMA应用于工程结构振动控制时,应对SMA进行一定次数的加卸载循环训练,以获得力学性能较稳定的SMA材料.(3)应变幅值是影响SMA耗能能力的主要因素,当应变幅值由2%增加至8%时,耗能能力几乎线性增加了10倍.在设计SMA阻尼器时,适当地控制其预应变值和应变幅值,可使SMA阻尼器具有最佳的耗能性能.(4)加载速率影响材料相变应力及耗能,相变应力随加载速率增加而增加.低加载速率时,滞回曲线具有两个明显屈服平台,而在加载速率较大时,卸载平台很不明显.材料的耗能能力随加载速率增加而降低,但降低幅度不大.因此在实验加载频率范围内,可以忽略加载速率对材料耗能能力的影响.参考文献:[1] 杨杰,吴月华.形状记忆合金及其应用 [M].合肥:中国科学技术大学出版社,1993:94-97.[2] 吴波,李惠,孙科学.形状记忆合金在土木工程中的应用[J].世界地震工程,1999,15(3):1-12.Wu Bo,Li Hui,Sun Ke-xue.The app lication of shape memory alloy in civil engineering[J].World Information on Earthquake Engineering,1999,15(3):1-12.[3] Song G,Ma N,Li H N.App lications of shapememory alloys in civil structures[J].Engineering Structures,2006, 28:1266-1274.[4] Eggeler G,Hornbogen E,Yawny A.Structural and functional fatigue of NiTi shapememory alloys[J].Materials Science and EngineeringA,2004,378:24-33.[5] Tamai H,Kitagawa Y.Pseudoelastic behavior of shape memory alloy wire and its app lication to seism ic resistance member forbuilding[J].Computational Materials 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