多向自復位形狀記憶合金鉛阻尼器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種多向自復位形狀記憶合金雙層鉛阻尼器，屬于工程結構耗能減振技術領域。將阻尼器安裝于機械裝備及建筑結構上，工作時阻尼器兩側連接桿發生相對伸縮及扭轉，使鉛塊沿錯動方向發生剪切及形狀記憶合金受拉壓扭轉協同耗能減振。在遭遇較強振動時，能夠對建筑物及設備起到保護的作用。本阻尼器設計組裝為雙層鉛塊，且將其嵌固于兩層連動套筒中，從而極大提高了阻尼器扭轉時耗能減振功能。將形狀記憶合金的安置于內筒中，對整個裝置起到自復位的作用，且通過調節形狀記憶合金的初始應變調節阻尼力。阻尼器具有可恢復的能力大，靈敏性強，抗疲勞，性能穩定，較少的維護修理費用，使用時限長。等的特點。使此阻尼器應用范圍廣泛。
【專利說明】
多向自復位形狀記憶合金鉛阻尼器
技術領域
[0001]本發明涉及多向自復位形狀記憶合金鉛阻尼器，適用于工程結構耗能減振技術領域。
【背景技術】
[0002]強震及強風等外荷載對工程結構的安全性帶來嚴重威脅，僅通過提高結構自身的剛度及強度，并不能很好的進行消能減震，從而對結構自身造成破壞。這需要使激勵外荷載輸入的能量依據某種機理將其轉變為熱能或其他能量形式能將其耗散掉，從而保護結構自身不會被破壞。通過在結構內外添加阻尼器的方法來實現結構振動控制表現出好的控制效果O
[0003]目前常用的耗能裝置存在各自的不足，如粘彈性阻尼器易老化、粘滯阻尼器的維護困難。為解決不可恢復，耐久性不強，振動后需要維護等問題。形狀記憶合金(ShapeMemory Alloy，簡稱SMA)是一種對形狀有記憶功能的新型智能材料。其自身具有的超彈性，其可恢復應變達到6%至8%，極限強度超過lOOOMPa，使用SMA材料制作的阻尼器和其他阻尼器相比具有抗老化、可靠性強、耐久性強等特點。選擇此材料作為阻尼器可提高結構的振動被動控制能力。金屬屈服阻尼器中，鉛阻尼器具有耗能性能好，使用周期長等特點。工作原理為金屬鉛進入塑性屈服階段后通過吸收外荷載輸入的能量來達到耗能減振的作用。其中剪切型-阻尼器為利用鉛受剪切屈服后產生塑性變形來耗能。而鉛振動后發生的塑性變形不可自恢復。并且傳統的鉛阻尼器不適應于不同大小的拉伸及扭轉阻尼力的調節。
[0004]目前已研制開發的阻尼器大多僅僅應用于單一方向的振動控制，而荷載響方向通常是隨機的，研究多向控制的阻尼器具有工程實際意義。
【發明內容】
[0005]為了解決結構受強荷載作用可能會產生大變形導致結構破壞等問題，本發明提供了多向自復位形狀記憶合金鉛阻尼器，進行減振耗能。由于阻尼器在安裝處的受力可能是扭轉或是拉壓，所以依據外荷載輸入的多向性，本發明的特點為在阻尼器的徑向和環向上皆可工作減振耗能。多向自復位形狀記憶合金鉛阻尼器，其模型為(如圖1)，阻尼器從功能上分類主要由兩部分裝置組成。第一部分是利用鉛剪切耗能裝置，第二部分是對阻尼器內部各部分的自復位裝置。本發明具有多向可調節阻尼力的功能，并且多向阻尼器相比傳統單向阻尼，不僅是功能上的疊加，更拓展其適用范圍。
[0006]多向自復位形狀記憶合金鉛阻尼器，包括連接桿1、第一內筒-左蓋板2、SMA彈簧夾具3、外筒-固定螺栓4、SMA彈簧5;第三內筒6、外筒7、固定板8、預應力調節環板9、SMA絲10、拉桿11、右側拉環12、左側拉環13、連接筒14、外筒-左蓋板15、內筒-固定螺栓16、預應力調節板17、左拉板18、第一鉛塊19、第二鉛塊20、第一內筒21、第二內筒22、右拉板23、第一內筒-右擋板24、SMA絲夾具25、外筒-右蓋板26;
[0007]第一內筒21與第二內筒22間安裝第一鉛塊19、第二內筒22和第三內筒6間安裝第二鉛塊20，構成雙層剪切型-鉛阻尼器；
[0008]外筒7兩端分別為外筒-左蓋板15和外筒-右蓋板26，左側拉環13、連接桿1、連接筒14依次焊接，并固定于外筒-左蓋板15的中心處;拉桿11右端焊接拉環12，拉桿11左端依次焊接第一內筒-右擋板24和第一內筒21，第一內筒21左端焊有第一內筒-左蓋板2;第一內筒21的中間段，即第一內筒-左蓋板2和第一內筒-右擋板24間外表面開槽;將第一鉛塊19的下半部分嵌入于第一內筒21外表面的槽中，第一鉛塊19的上半部分嵌入于第二內筒22內壁開的槽中；在第二內筒22外表面開槽，將第二鉛塊20的下半部分嵌入于第二內筒22外表面的槽中，將第二鉛塊20的上半部分嵌入于第三內筒6內壁開的槽中；
[0009]自復位裝置由SMA彈簧5和SMA絲10組成，SMA彈簧5負責第二內筒22向左拉伸及扭轉時自復位，SMA絲10負責拉桿11的扭轉及拉壓時自復位。四組SMA彈簧5安裝于第三內筒6和外筒7間形成的中部空腔內，SMA彈簧5左端依次穿過固定板8、左拉板18和預應力調節板17，右端依次穿過固定板8和右拉板23，并通過SMA彈簧夾具3旋緊拉固；三排共9根SMA絲10以環向夾角45度依次穿過拉桿11和外筒7開設的孔中，并通過預應力調節環板9和SMA絲夾具25配合固定；SMA絲10橫向安裝于外筒7;通過調節SMA彈簧夾具3、SMA絲夾具25分別改變SMA彈簧5、SMA絲1的初始應力變形，進而調阻尼力。SMA材料由于其超彈性具有較強的自復位能力，且其本身具有的抗疲勞，較高的拉伸扭轉強度等特性，在高消能后能夠使阻尼器能夠恢復初始狀態。
[0010]在第二內筒22左側焊接左拉板18，在第三內筒6左右兩側分別焊接環形固定板8;左側固定板8上設有四個通孔，通孔型為以環向40度的環形孔;右側固定板8及右拉板23開小圓孔;預應力調節板17通過固定螺栓16固定在左拉板18上；固定板8通過外筒-固定螺栓4固定在外筒7上。
[0011 ]本發明的有益效果是穩定性強，較強的自恢復特性，且具有耐久性和抗疲勞的特性。能有效提高結構的抗振性能，并且雙層剪切鉛塊布置使其具有小變形且高阻尼力的特點，以上優點使其具有應用于市場后廣闊的前景。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的剖面結構示意圖。
[0013]圖2是本發明圖1的a-a截面剖面圖。
[0014]圖3是本發明圖1的b-b截面剖面圖。
[0015]圖4是本發明圖1的c-c截面面圖。
[0016]圖5是本發明圖1的d-d截面剖面圖。
[0017]圖6是本發明推拉桿平面圖。
[0018]圖7是本發明推拉桿1-1截面剖面圖。
[0019]圖8是本發明推拉桿2-2截面剖面圖。
[0020]圖9是本發明推拉桿3-3截面剖面圖。
[0021]圖10是本發明預應力調節板平面圖。
[0022]圖11是本發明預應力調節板剖面圖。
[0023]圖12是本發明固定板平面圖。
[0024]圖13是本發明固定板剖面圖。
[0025]圖中:1連接桿;2第一內筒-左蓋板;3SMA彈簧夾具;4外筒-固定螺栓;5 SMA彈簧；6第三內筒;7外筒;8固定板;9預應力調節環板；10 SMA絲；11拉桿；12右側拉環；13左側拉環；14連接筒；15外筒-左蓋板;16內筒-固定螺栓;17預應力調節板;18左拉板;19第一鉛塊；20第二鉛塊;21第一內筒;22第二內筒;23右拉板;24第一內筒-右擋板;25 SMA絲夾具;26外筒-右蓋板。
【具體實施方式】
[0026]以下結合附圖和技術方案，詳盡說明本發明的【具體實施方式】。
[0027]多向自復位形狀記憶合金鉛阻尼器主要包括:連接桿1、第一內筒-左蓋板2、SMA彈簧夾具3、外筒-固定螺栓4、SMA彈簧5;第三內筒6、外筒7、固定板8、預應力調節環板9、SMA絲1、拉桿11、右側拉環12、左側拉環13、連接筒14、外筒-左蓋板15、內筒-固定螺栓16、預應力調節板17、左拉板18、第一鉛塊19、第二鉛塊20、第一內筒21、第二內筒22、右拉板23、第一內筒-右擋板24、SMA絲夾具25、外筒-右蓋板26 ；左側拉環13、右側拉環12在中軸線上以互成90度角布置，目的除了使阻尼器與結構連接牢固外，同時考慮到兩側受到拉伸和扭轉兩個方向的力矩，使阻尼效果更好。
[0028]本阻尼器適用于多向受力情況，分別從環向扭轉時及徑向拉壓時闡述其耗能減振機理。首先，當拉桿11向左拉伸帶動第一內筒21左移，第一內筒-左蓋板2推動左拉板18向左移動，從而帶動焊接在其右側的第二內筒22左移。第二內筒22往左移動與第三內筒6發生相對位移，由于第三內筒6固定于外筒7上，剪切位于第二內筒22與第三內筒6之間的第二鉛塊20;同時SMA彈簧5左端隨左拉板18向左拉伸。當拉桿11向右拉伸帶動第一內筒21右移時，由于第二內筒22受到左拉板18限制，使第一內筒21與第二內筒22發生相對位移，剪切位于第一內筒21與第二內筒22之間的第一鉛塊19;與此同時，第一內筒-右擋板24將推動右拉板23向右移動，從來向右拉伸SMA彈簧5。由于拉桿11左移使其與外筒7發生相對位移，拉伸SMA絲
10。在整個過程中SMA絲10、SMA彈簧5拉伸耗能，第二鉛塊20、第一鉛塊19受剪切屈服后產生塑性變形耗能。使用工作后，由于SMA絲、SMA彈簧的較強的超彈性，使得整個裝置在移動過后恢復到原來的位置。
[0029]當右側拉桿11與左側連接桿I發生相對轉動時，由于左拉板18、右拉板23連接于處于預拉伸狀態的SMA彈簧5的兩端，且左拉板18焊接于第二內筒22的左端，限制了第二內筒22自由轉動。首先，拉桿11轉動帶動焊接于其左端的第一內筒21發生相對轉角，從而沿環向剪切嵌入于第一內筒21和第二內筒22間第一鉛塊19;隨著承受高扭轉力的增大，位于左拉板18與右拉板23之間的SMA彈簧5被拉伸扭轉，第二內筒22發生轉動與固定于外筒7上的第三內筒6發生相對轉角，從而沿環向剪切嵌入于第二內筒22和第三內筒6間第二鉛塊20。在扭轉的整個過程中，左拉板18帶動左端SMA彈簧5繞固定板8上環形孔沿環向轉動，與右端發生相對轉角，此過程中彈簧將受到拉伸及扭轉力的作用。而扭轉后，由于SMA彈簧本身就有的超彈性，將帶動左拉板18與第二內筒22自恢復到初始位置。在整個扭轉的過程中，拉桿11扭轉使其與外筒7沿環向發生相對轉角，從而拉伸固定于預應力調節環板9上依次穿過外筒
7、拉桿11的預應力SMA絲10。扭轉后，由于SMA絲材料具有超彈性，使拉桿11自恢復到初始位置。在整個過程中SMA絲10、SMA彈簧5拉伸扭轉耗能，第二鉛塊20、第一鉛塊19沿環向受剪切屈服后產生塑性變形耗能。預應力SMA絲及SMA彈簧不僅具有良好的高耗能特性，且分別負責兩套內筒裝置的自復位，從而確保整個裝置在使用后能準確復位。
[0030]本發明主要特點為，由于采用剪切型金屬鉛及SMA材料來消能減震高耗能使其具有穩定性強，耐久性好、阻尼力可調節。裝置采用雙層鉛塊使得可調節的阻尼力提升。
【主權項】
1.一種多向自復位形狀記憶合金鉛阻尼器，其特征在于，該多向自復位形狀記憶合金鉛阻尼器包括連接桿、第一內筒-左蓋板、SMA彈簧夾具、外筒-固定螺栓、SMA彈簧;第三內筒、外筒、固定板、預應力調節環板、SMA絲、拉桿、右側拉環、左側拉環、連接筒、外筒-左蓋板、內筒-固定螺栓、預應力調節板、左拉板、第一鉛塊、第二鉛塊、第一內筒、第二內筒、右拉板、第一內筒-右擋板、SMA絲夾具、外筒-右蓋板； 第一內筒與第二內筒間安裝第一鉛塊、第二內筒和第三內筒間安裝第二鉛塊，構成雙層剪切型-鉛阻尼器； 外筒兩端分別為外筒-左蓋板和外筒-右蓋板，左側拉環、連接桿、連接筒依次焊接，并固定于外筒-左蓋板的中心處;拉桿右端焊接拉環，拉桿左端依次焊接第一內筒-右擋板和第一內筒，第一內筒左端焊有第一內筒-左蓋板;第一內筒的中間段，即第一內筒-左蓋板和第一內筒-右擋板間外表面開槽;將第一鉛塊的下半部分嵌入于第一內筒外表面的槽中，第一鉛塊的上半部分嵌入于第二內筒內壁開的槽中；在第二內筒外表面開槽，將第二鉛塊的下半部分嵌入于第二內筒外表面的槽中，將第二鉛塊的上半部分嵌入于第三內筒內壁開的槽中； 自復位裝置由SMA彈簧和SMA絲組成，SMA彈簧負責第二內筒向左拉伸及扭轉時自復位，SMA絲負責拉桿的扭轉及拉壓時自復位；四組SMA彈簧安裝于第三內筒和外筒間形成的中部空腔內，SMA彈簧左端依次穿過固定板、左拉板和預應力調節板，右端依次穿過固定板和右拉板，并通過SMA彈簧夾具旋緊拉固；三排共9根SMA絲以環向夾角45度依次穿過拉桿和外筒開設的孔中，并通過預應力調節環板和SMA絲夾具配合固定;SMA絲橫向安裝于外筒;通過調節SMA彈簧夾具、SMA絲夾具分別改變SMA彈簧、SMA絲的初始應力變形，進而調阻尼力； 在第二內筒左側焊接左拉板，在第三內筒左右兩側分別焊接環形固定板;左側固定板上設有四個通孔，通孔型為以環向40度的環形孔;右側固定板及右拉板開小圓孔;預應力調節板通過固定螺栓固定在左拉板上;固定板通過外筒-固定螺栓固定在外筒上。
【文檔編號】E04H9/02GK106013497SQ201610585626
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月22日
【發明人】劉明明, 遲恒, 李建波
【申請人】大連理工大學