【摘 要】
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近年来,形状记忆合金以其超弹性、高阻尼力等特性被引入到耗能减震技术领域,本文参考周云基于“多种耗能机制共同耗能”的思想,结合SMA合金丝的自复位能力,提出了一种兼具自复位和高耗能的新型筒式自复位SMA-摩擦阻尼器(Tube Re-centering shape memory alloys-Friction Damper,简称:TRSFD),并采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方式对其开展相关
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近年来,形状记忆合金以其超弹性、高阻尼力等特性被引入到耗能减震技术领域,本文参考周云基于“多种耗能机制共同耗能”的思想,结合SMA合金丝的自复位能力,提出了一种兼具自复位和高耗能的新型筒式自复位SMA-摩擦阻尼器(Tube Re-centering shape memory alloys-Friction Damper,简称:TRSFD),并采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方式对其开展相关研究。本文主要的研究工作及结果如下:(1)首先阐明了选题的背景和意义、结构振动控制理论、耗能减震技术研究与应用现状和形状记忆合金在耗能减震中的研究与应用;其次描述了SMA形状记忆效应(SME)、超弹性(PE)和高阻尼效应,并总结归纳了SMA几种典型的唯象本构模型;最后,分析了本文的结构,阐述了本文各章节内容。(2)进行了新型筒式自复位SMA-摩擦阻尼器的材料力学性能试验,首先,对比分析了循环次数、应变幅值、加载速率对SMA滞回曲线和力学性能参数的影响,归纳总结了这三个因素对SMA丝力学性能的作用规律。确定了SMA丝有限元模拟所需的相关力学参数,同时对比分析了ANSYS Workbench自带的SMA超弹性本构模型模拟曲线与试验曲线,可以发现,程序自带的Auricchio本构模型能够较好地描述SMA实际力学性能。除此以外,还测得了Q235钢与石棉板间的摩擦系数为0.55,为下一步阻尼器的研发与有限元模型的建立提供了依据。(3)研发了一种兼具自复位和高耗能的新型筒式自复位SMA-摩擦阻尼器。对TRSFD进行了力学性能试验研究,考察了位移幅值和加载速度对TRSFD滞回曲线及力学性能参数的影响。采用ANSYS有限元分析软件对TRSFD进行数值模拟,并与试验结果进行对比,结果表明,TRSFD的有限元模拟曲线与试验曲线能较好地吻合。并进一步对TRSFD进行参数化分析,研究了预拉伸、摩擦单元出力以及SMA丝直径三个因素对TRSFD滞回曲线及力学性能参数的影响。(4)提出了TRSFD的并联力学模型。对比SMA单元与摩擦单元模拟叠加曲线与TRSFD模拟曲线可知:两者基本重叠,表明TRSFD的力学模型是由摩擦单元和超弹性SMA丝单元行为叠加来实现是合理准确的,验证了上述并联模型的正确性。(5)设置了三种TRSFD布置工况,分别对未安装及不同布置工况下安装有TRSFD的钢框架结构的耗能及自复位性能进行了弹塑性时程分析,并对比不同布置工况对钢框架结构抗震性能的影响。结果表明,布置形式会影响结构控制效果,TRSFD可有效减小结构的结构位移和残余位移,然而对速度和加速度的控制效果一般;大震作用下,TRSFD的安装能有效地将结构的反应控制在弹性范围内,达到较为理想的震动控制效果。
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