形狀記憶合金彈簧在土木工程中的應(yīng)用

周　華

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢　430070)

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形狀記憶合金彈簧在土木工程中的應(yīng)用

周華

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430070)

分析了熱處理對(duì)形狀記憶合金(SMA)彈簧的影響，結(jié)合SMA彈簧的力學(xué)性能，介紹了SMA彈簧在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出SMA彈簧在智能修復(fù)和耗能減震方面具有良好的應(yīng)用前景。

SMA彈簧，力學(xué)性能，熱處理，耗能減震

形狀記憶合金是一種新型的智能材料，它特有的超彈性性能和形狀記憶性使其廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。形狀記憶效應(yīng)是指形狀記憶合金可以任意的變形，當(dāng)其加溫或者通電后，可以恢復(fù)到原始的形狀；超彈性性能設(shè)置在一定溫度范圍內(nèi)，當(dāng)應(yīng)力消失時(shí)材料可以不通過(guò)加熱自動(dòng)恢復(fù)到原始的狀態(tài)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)形狀記憶合金絲的研究較多，對(duì)于將其加工為形狀記憶合金彈簧的研究較少，主要集中在對(duì)SMA彈簧的加工、SMA彈簧的力學(xué)性能以及SMA彈簧在土木工程中的應(yīng)用。

1　熱處理對(duì)SMA彈簧的影響

現(xiàn)階段針對(duì)SMA彈簧的研究較多集中在對(duì)其加工工藝尤其是熱加工過(guò)程中，很多學(xué)者研究了不同熱加工對(duì)SMA彈簧形狀記憶性和超彈性的影響，有些學(xué)者甚至研究了不同Ni合金含量和不同熱處理方式對(duì)SMA彈簧特性的影響。顏世春等[1]研究了SMA彈簧的熱處理工藝。試驗(yàn)表明經(jīng)過(guò)熱處理對(duì)彈簧的恢復(fù)溫度有影響，但是退火后的自然冷卻對(duì)恢復(fù)溫度無(wú)影響，這對(duì)后續(xù)的彈簧加工有一定的指導(dǎo)作用。王剛[2]研究了SMA彈簧的制備過(guò)程，并就熱機(jī)械循環(huán)次數(shù)、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間、工作循環(huán)四個(gè)因素對(duì)彈簧恢復(fù)率的影響展開(kāi)了討論。吳波等[3]選取直徑為1.5 mm的Ni原子含量為50.8%的SMA材料，研究了不同的熱處理方式對(duì)形狀記憶合金的超彈性耗能的影響。試驗(yàn)研究表明熱處理使SMA材料的能力耗散系數(shù)增大，說(shuō)明熱處理能提升SMA材料的耗能能力，同時(shí)熱處理也減小材料受力后的殘余變形，說(shuō)明SMA是一種良好的耗能減震材料。黃兵民等[4]研究了直徑為3.2 mm的Ti- 49.8%Ni合金絲材在冷拔和熱加工下的超彈性性能。他們?cè)跓峒庸ど系玫降慕Y(jié)論和吳波等相同，即400 ℃下保溫30 min可獲得良好的超彈性，同時(shí)他們指出冷拔也對(duì)SMA絲的超彈性有很大的影響，冷拔量越大，絲材的超彈性性能越好。李波等[5]研究了Ti50Ni47Fe3在溫度、約束力下的彈簧恢復(fù)力特性。試驗(yàn)表明溫度對(duì)恢復(fù)力的影響不大，但是約束力的大小會(huì)影響恢復(fù)位移，兩者呈非線性的正比關(guān)系，他們指出約束力、約束位移與彈簧的恢復(fù)力、恢復(fù)位移在一定范圍內(nèi)同步增長(zhǎng)。王治國(guó)等[6]研究了熱機(jī)械訓(xùn)練溫度和定型處理溫度對(duì)SMA彈簧雙向記憶效應(yīng)的影響。研究表明SMA彈簧的雙向記憶效應(yīng)與訓(xùn)練次數(shù)有關(guān)，并且與SMA彈簧所處的母相狀態(tài)有關(guān)。試驗(yàn)進(jìn)行了400 ℃～550 ℃的定型溫度處理，結(jié)果表明SMA彈簧的形狀記憶恢復(fù)率存在一個(gè)最適合溫度，并不是隨溫度的升高而增大。孟祥龍等[7]研究了形狀記憶合金彈簧在恒載下的熱穩(wěn)定性。根據(jù)加卸載得到的滯回曲線表明，環(huán)境溫度會(huì)影響SMA彈簧的超彈性性能，溫度越高，彈簧形成的滯回環(huán)越小，在荷載作用下的熱穩(wěn)定性也越差，其熱穩(wěn)定性存在一個(gè)合理的荷載值和溫度區(qū)間，他們同時(shí)發(fā)現(xiàn)恒載下的TiNi合金彈簧的熱穩(wěn)定性比銅基TiNi合金彈簧的好。賀志榮等[8]就退火溫度、變形溫度、熱循環(huán)以及力循環(huán)等因素對(duì)Ti49.4Ni50.6超彈性彈簧的相變和形變特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明彈簧的超彈性能呈倒U形現(xiàn)象，即存在一個(gè)超彈性的最適合溫度；在熱循環(huán)和力循環(huán)下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，SMA彈簧的恢復(fù)率逐漸下降，最后趨于平衡，可見(jiàn)適當(dāng)?shù)难h(huán)可以保證SMA彈簧穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變恢復(fù)。

2　SMA彈簧的力學(xué)性能

陳安明等[9]利用多項(xiàng)式回歸確定參數(shù)的方法，從理論上推導(dǎo)出考慮荷載、位移、溫度的完整的SMA彈簧力學(xué)模型，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照，分析表明此模型基本能適用于SMA彈簧力學(xué)的模擬，此模型只適用于已知的小直徑SMA彈簧。

莊鵬等[10]對(duì)超彈性形狀記憶合金螺旋彈簧的滯回性能進(jìn)行了研究。他們?cè)O(shè)計(jì)了兩種Ni原子含量不同的SMA彈簧，分別考慮彈簧的加載次數(shù)、頻率以及位移幅值對(duì)SMA彈簧的等效剛度、單位循環(huán)耗能、等效阻尼比和殘余位移的影響。此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SMA螺旋彈簧能提供良好的滯回性能，但是實(shí)驗(yàn)位移幅值選取太小，SMA彈簧中馬氏體應(yīng)變的參與量太少，沒(méi)能充分的體現(xiàn)出形狀記憶合金的超彈性性能，并且文章并未給出SMA彈簧的本構(gòu)模型和數(shù)值模擬，只是一個(gè)初探性的現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)。

宋固全等[11]提出了形狀記憶合金彈簧的理論模型。模型中主要考慮馬氏體參與率對(duì)彈簧剛度的影響，但是力學(xué)模型源于直桿的扭轉(zhuǎn)理論，所以模型的參數(shù)與鋼彈簧理論模型類(lèi)似，只是組合了一個(gè)考慮馬氏體參與率的系數(shù)。

劉愛(ài)榮等[12]基于Brinson本構(gòu)模型從理論上推導(dǎo)了形狀記憶合金彈簧剪切變形的本構(gòu)模型，并進(jìn)行了彈簧拉壓變形分析，最后設(shè)計(jì)了一個(gè)裝置有SMA彈簧的懸臂梁在動(dòng)載下的算例，算例表明在低頻荷載下SMA彈簧的剛度增加會(huì)使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度增加，在高頻荷載下SMA剛度的變化對(duì)系統(tǒng)的頻率影響不大，從而提出SMA彈簧適用于低頻結(jié)構(gòu)的減震。

彭剛等[13]根據(jù)Helmholt自由能理論，從熱力學(xué)角度推導(dǎo)了SMA彈簧的本構(gòu)關(guān)系，并考慮了相變過(guò)程中馬氏體含量對(duì)彈簧剛度的影響。同時(shí)，他們編寫(xiě)了SMA彈簧的matlab程序并限定了彈簧的線徑比進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果與其他學(xué)者的研究相吻合，體現(xiàn)出了SMA彈簧良好的耗能能力。

3　SMA彈簧在土木工程中的應(yīng)用

目前，形狀記憶合金彈簧在土木工程中的應(yīng)用主要集中在減震和健康監(jiān)測(cè)方面。形狀記憶合金彈簧在減震方面的研究集中在阻尼器和隔震支座的設(shè)計(jì)，很多學(xué)者進(jìn)行了各種各樣的研究，主要利用形狀記憶合金彈簧的超彈性和形狀記憶性能提供阻尼耗能以及形狀記性的自復(fù)位能力，使結(jié)構(gòu)在地震荷載下不被破壞。健康監(jiān)測(cè)方面的研究主要是利用彈簧的形狀記憶性能，使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原始的受力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)不被破壞。

劉雨冬等[14]提出了一種基于SMA彈簧的摩擦型支座。此支座依據(jù)Liang-Rogers本構(gòu)模型，通過(guò)在支座內(nèi)部設(shè)置環(huán)向八個(gè)SMA彈簧提供自復(fù)位的恢復(fù)力，在支座底部設(shè)置Teflon材料摩擦面實(shí)現(xiàn)耗能，并利用ABAQUS軟件實(shí)現(xiàn)建模。研究表明，SMA彈簧摩擦型支座具有良好的自復(fù)位能力和耗能能力，能為支座提供可靠的剛度，其等效阻尼比可以達(dá)到0.3～0.45。

莊鵬等[15]設(shè)計(jì)了一種基于SMA彈簧的摩擦型隔震支座，并進(jìn)行了隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析。他們首先依據(jù)SMA絲的本構(gòu)關(guān)系通過(guò)分段線性化的方法，同時(shí)將SMA彈簧總恢復(fù)力劃分成非線性彈性恢復(fù)力和滯回力兩部分，建立了SMA彈簧的力—位移模型；然后計(jì)算了配備有20個(gè)此類(lèi)支座的結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果表明此類(lèi)支座的加速度減震率可達(dá)到33.93%，上部結(jié)構(gòu)在地震荷載下位移較小，得到了良好的控制，支座的滯回環(huán)比較飽滿，有良好的耗能能力和自復(fù)位能力；最后將此支座與純摩擦支座和摩擦擺支座進(jìn)行了比較，結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了SMA彈簧—摩擦支座在位移峰值控制上和殘余位移控制上的優(yōu)勢(shì)。

蔡錦榮等[16]針對(duì)摩擦型支座無(wú)法解決上拔力以及無(wú)法設(shè)置良好摩擦面的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種SMA彈簧—軸承滾動(dòng)支座，通過(guò)設(shè)置軸承滾動(dòng)板的方式防止支座的上拔影響。研究表明SMA彈簧支座的耗能能力明顯優(yōu)于鋼彈簧支座，它能有效的抑制地震能向結(jié)構(gòu)傳遞。同時(shí)利用matlab設(shè)計(jì)了一個(gè)配備有此支座的輸電塔算例，模擬EL-centro波下輸電塔頂層相對(duì)加速度時(shí)程曲線，計(jì)算表明此支座能減少輸電塔在地震荷載下的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，頂層加速度減小率可達(dá)到74.1%。

黃斌等[17]根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的SMA彈簧現(xiàn)象模型進(jìn)行了SMA滑動(dòng)支座的隔震試驗(yàn)與仿真分析，在考慮彈簧預(yù)拉伸的前提下，與普通鋼彈簧隔震體系相比，新提出的SMA彈簧體系能很好的適應(yīng)EL-centro波和Kobe波，試驗(yàn)和仿真結(jié)構(gòu)都顯示出SMA彈簧滑動(dòng)支座良好的隔震性能。

李慶斌等[18]為避免實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)自振頻率測(cè)量困難的問(wèn)題，提出了一種基于SMA材料的TMD半主動(dòng)控制。他們?cè)O(shè)兩種SMA-TMD裝置，其中一種通過(guò)改變電流的方式控制SMA彈簧的剛度以達(dá)到實(shí)時(shí)控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。通過(guò)仿真分析，這種裝置在風(fēng)載和其他隨機(jī)荷載下能很好的減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，并且具有一定的自適應(yīng)性。

4　結(jié)語(yǔ)

形狀記憶合金彈簧是一種很有應(yīng)用前景的新型智能材料。隨著材料加工工藝的成熟以及對(duì)其力學(xué)性能的逐步了解，形狀記憶合金彈簧的應(yīng)用將越來(lái)越多，考慮到形狀記憶合金的超彈性和形狀記憶性能，它將在智能修復(fù)和耗能減震方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。例如將形狀記憶合金彈簧安裝于調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)中，取代其中的鋼彈簧，這樣利用形狀記憶合金材料的高阻尼特性和超彈性性能，可以避免TMD中復(fù)雜的阻尼設(shè)計(jì)，只需安裝SMA彈簧即可耗能減震。總之，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，形狀記憶合金彈簧將越來(lái)越受到重視。

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The application of Shape Memory Alloy spring in civil engineering

Zhou Hua

(CivilEngineeringandArchitectureInstitute,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

This paper analyzed the influence of heat treatment to Shape Memory Alloy(SMA) spring, combining with the mechanical properties of SMA spring, introduced the application situation of SMA spring in civil engineering, pointed out that the SMA spring had good application prospect in intelligent repair and damping energy consumption.

SMA spring, mechanical property, heat treatment, damping energy consumption

1009-6825(2016)08-0139-02

2016-01-05

周華(1991- )，男，在讀碩士

TU512

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