低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器及其制作方法，包括主结构、外壳、SMA弹簧单元、质量块、预压弹簧单元、环形滑动支座、环形限位块、永磁铁和铜板，其中，所述外壳包括底板、加劲侧板、加劲上盖板、竖向加劲肋、侧板环向加劲肋、上盖板环形加劲肋和纵向加劲肋；所述SMA弹簧单元包括水平铰节点、水平向导杆、SMA弹簧、SMA芯、温控层和保护层；所述预压弹簧节点包括万向铰节点、竖向导向杆和预压弹簧。本发明专利技术旨在提供低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，利用SMA提供滞回恢复力和智能控制特性，利用负刚度原件实现TMD的长周期特性，具有长周期、控制频带宽、智能调节、占用空间小等特点。

Intelligent nonlinear tuned mass damper for low frequency shape memory alloy and its fabrication method

The invention discloses a low-frequency shape memory alloy intelligent nonlinear tuned mass damper and its production method, including the main structure, shell, SMA, spring element mass, spring element, circular sliding bearings, ring spacing block, permanent magnet and copper, wherein the shell comprises a bottom plate, side plates, stiffeners on the stiffener cover plate, vertical stiffener plate, ring stiffener, cover ring stiffener and longitudinal rib; the SMA spring unit comprises a horizontal hinge node, the level of SMA, SMA, spring guide rod core, temperature control layer and a protective layer; the spring node includes universal hinged joint, vertical guide rod and spring. The present invention is to provide low frequency shape memory alloy intelligent nonlinear tuned mass damper, using SMA hysteretic and intelligent control characteristics of negative stiffness original realize the long cycle characteristics of TMD use, with long cycle control, wide frequency band, intelligent control, the advantages of small space occupation etc..

【技术实现步骤摘要】
低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器及其制作方法
本专利技术属于土木工程结构振动控制装置的
，具体涉及低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器。
技术介绍
振动控制技术已经越来越多地被用于土木工程结构动力灾变控制中，调谐质量阻尼器（TunedMassDamper，TMD）是当前实际工程应用最多的阻尼器之一。通常TMD包含固体质量、弹簧和流体阻尼器，具有质量、刚度和阻尼，可通过改变质量或刚度调整子结构的频率，使其接近主结构的基本频率或激励频率，吸收振动过程中从主结构传来的能量，减小主结构的振动响应。主流的线性TMD是一种窄带控制器，即仅能对其频率周围较小区域内的能量进行吸收，因此，对于风荷载等窄带激励引起的振动响应有较好的控制效果，而针对由地震等宽频带激励引起的响应控制效果较差，特别是涉及到多灾害共同作用时，线性TMD的控制效果更是难以令人满意。为了获得宽频带的TMD控制效果，一方面，可从设计角度进行鲁棒设计，另一方面，则可从装置本身出发进行改进。非线性TMD，又称为非线性吸振器（NonlinearVibrationAbsorber,NVA）或非线性能量阱（NonlinearEnergySink,NES），通常由阻尼单元、强非线性弹簧单元和质量单元组成。研究表明，非线性吸振器没有特定的固有频率，可以随主结构的多阶频率振动并且吸收能量，相比线性吸振器，它具有吸振频带宽、吸振效率高的优点。目前，土木领域现有研究中实现非线性回复力主要有两种方式：1）从弹簧单元构造出发，形成非线性弹簧，如：利用欧拉屈曲梁、采用金字塔形弹性体等；2）从质量单元运动轨迹出发，构造非线性运动轨道，如：大位移悬吊摆、弹簧摆、非线性滑动轨道等。已公开的一些非线性TMD多采用了这些原理，如基于非线性能量阱的两自由度吸振器（CN205134603U）、基于非线性能量阱的三维复合摩擦摆隔震器（CN103306316A）等。而另一类，带有滞回弹簧的TMD，尽管理论上已被证明同样具有较宽的减振频带，但是相应实用装置的研发相对较少。与此同时，用于柔性结构的TMD，尚需在工程实践中满足构造上的三个要求：长周期、有限空间和平面多方向。因此，本专利利用形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy,SMA）弹簧实现滞回恢复力曲线，利用负刚度元件、对称布置和滚动支座等构造满足上述要求，开发一种低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，为实现土木工程结构的滞回非线性TMD控制提供一种可行的智能装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于土木工程结构在宽频带动力灾害或多灾害作用下吸能减振的低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，它有别于现有非线性TMD的理论和构造方式，利用SMA提供滞回恢复力和智能控制特性，利用负刚度原件实现TMD的长周期特性，具有长周期、控制频带宽、智能调节、占用空间小等特点。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，包括主结构、外壳、SMA弹簧单元、质量块、预压弹簧单元、环形滑动支座、环形限位块、永磁铁和铜板，其中，所述外壳包括底板、加劲侧板、加劲上盖板、竖向加劲肋、侧板环向加劲肋、上盖板环形加劲肋和纵向加劲肋；所述SMA弹簧单元包括水平铰节点、水平向导杆、SMA弹簧，其中，SMA弹簧包括SMA芯、温控层和保护层；所述预压弹簧单元包括万向铰节点、竖向导向杆和预压弹簧；所述主结构与外壳通过锚栓牢固连接；所述质量块底部设有环形限位块和永磁体，其中，环形限位块牢固连接于质量块底部，永磁铁同样固接于质量块底部；所述质量块通过环形滑动支座与底板连接，其中，质量块与环形滑动支座之间通过滑动支座凹槽内的滚珠接触连接；所述质量块侧面通过SMA弹簧单元与加劲侧板连接，顶部通过预压弹簧单元与加劲上盖板连接，其中，SMA弹簧单元通过水平铰节点与加劲侧板连接，预压弹簧单元通过万向铰节点与加劲上盖板连接；所述SMA弹簧单元通过水平铰节点连接于质量块和外壳；所述预压弹簧单元通过万向铰节点与质量块和外壳连接；所述上盖板环形加劲肋、纵向加劲肋与加劲上盖板以焊接方式连接；所述竖向加劲肋、侧板环向加劲肋与加劲侧板以焊接方式连接；所述铜板固定于底板表面。进一步的，所述水平导向杆和竖向导向杆采用高强度合金空心导杆，外表面镀硬铬。进一步的，所述SMA芯为螺旋状形状记忆合金。进一步的，所述SMA芯为螺旋状NiTi合金。上述低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器的制作方法，包括以下步骤：（1）对结构进行分析，计算出所需要的TMD参数，据此确定阻尼器的尺寸及各部件的参数；（2）加工SMA芯，在其外面套上包裹温控层，最后在温控层外套上保护层，组装成SMA弹簧，在SMA弹簧内套上水平向导杆，SMA弹簧两端分别与水平向导杆两端的端板牢固连接，端板与水平铰节点一起铸造，形成整体；（3）制作预压弹簧，在其内套上竖向导向杆，预压弹簧两端分别与竖向导杆两端的端板牢固连接，端板与万向铰节点一起铸造，形成整体，根据设计结果，对预压弹簧施加预压变形，此时将竖向导杆两端的端板通过临时装配拉索连接，保持预压弹簧的预压变形；（4）加工质量块，将环形限位块和永磁铁固定于质量块底部；（5）制作外壳的底板，将环形滑动支座固定于底板上表面，利用锚栓将底板固定于主结构，利用焊接连接或螺栓连接将加劲侧板与底板连接，在环形滑动支座的凹槽内放入滚珠，而后将质量块放置其上，并对中；（6）在质量块和加劲侧板之间安装SMA弹簧单元，在质量块上表面安装预压弹簧单元，盖上加劲上盖板，拧紧预压弹簧单元上端与加劲上盖板连接的螺栓，并通过螺栓或焊接连接将加劲上盖板与加劲侧板牢固连接。主要工作原理是：质量块提供质量，SMA弹簧单元提供智能可调的非线性刚度，SMA弹簧单元提供滞回耗能，永磁铁和铜板提供电涡流阻尼，两者共同提供TMD必须的阻尼。当结构受风荷载、地震作用等动力荷载发生振动时，在惯性力的作用下，质量块发生往复运动；从而带动SMA弹簧拉伸、压缩，当变形较大时SMA发生马氏体相变，变形较小时SMA发生马氏体逆相变，所有SMA弹簧单元共同工作，在质量块往复运动时提供了滞回非线性刚度和阻尼；通过调节SMA弹簧温控层的温度，结合预先设置于结构内的传感器，可智能调节非线性刚度的特性，实现智能控制；与质量块连接的永磁铁与铜板之间发生往复运动，形成了电涡流耗能，耗散部分振动能量。通过非线性振子的靶向能量传递，振动能量由主结构传递至TMD，再由SMA滞回阻尼和电涡流阻尼耗散能量，以此抑制主体结构的振动响应，保护主体结构在地震、风荷载等动力灾害作用下的安全。与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：本专利技术的低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器具有周期长、控制频带宽、智能调节、占用空间小等优点。作为一种振动控制装置，本专利技术能够有效控制结构在动力荷载作用下的响应，保护主体结构，同时，利用SMA弹簧实现区别于立方刚度弹簧的滞回恢复力曲线，并由SMA自身特性实现耐疲劳要求；采用竖向预压弹簧作为负刚度元件，与SMA弹簧的正刚度叠加，共同实现TMD的长周期特性，解决当前应用较多的悬吊摆需要较大安装空间的问题；通过对称布置SMA弹簧、竖向布置预压弹簧，实现装置性能的平面多方向性，从而对各向动力荷载均有较好本文档来自技高网...

【技术保护点】
低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，其特征在于，包括主结构、外壳、SMA弹簧单元、质量块、预压弹簧单元、环形滑动支座、环形限位块、永磁铁和铜板，其中，所述外壳包括底板、加劲侧板、加劲上盖板、竖向加劲肋、侧板环向加劲肋、上盖板环形加劲肋和纵向加劲肋；所述SMA弹簧单元包括水平铰节点、水平向导杆、SMA弹簧、SMA芯、温控层和保护层；所述预压弹簧单元包括万向铰节点、竖向导向杆和预压弹簧；所述主结构与外壳通过锚栓牢固连接；所述质量块底部设有环形限位块和永磁体，其中，环形限位块牢固连接于质量块底部，永磁铁固接于质量块底部；所述质量块通过环形滑动支座与底板连接，其中，质量块与环形滑动支座之间通过滑动支座凹槽内的滚珠接触连接；所述质量块侧面通过SMA弹簧单元与加劲侧板连接，顶部通过预压弹簧单元与加劲上盖板连接，其中，SMA弹簧单元通过水平铰节点与加劲侧板连接，预压弹簧单元通过万向铰节点与加劲上盖板连接；所述SMA弹簧单元通过水平铰节点连接于质量块和外壳；所述预压弹簧单元通过万向铰节点与质量块和外壳连接；所述上盖板环形加劲肋、纵向加劲肋与加劲上盖板以焊接方式连接；所述竖向加劲肋、侧板环向加劲肋与加劲侧板以焊接方式连接；所述铜板固定于底板表面。...

【技术特征摘要】
1.低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，其特征在于，包括主结构、外壳、SMA弹簧单元、质量块、预压弹簧单元、环形滑动支座、环形限位块、永磁铁和铜板，其中，所述外壳包括底板、加劲侧板、加劲上盖板、竖向加劲肋、侧板环向加劲肋、上盖板环形加劲肋和纵向加劲肋；所述SMA弹簧单元包括水平铰节点、水平向导杆、SMA弹簧、SMA芯、温控层和保护层；所述预压弹簧单元包括万向铰节点、竖向导向杆和预压弹簧；所述主结构与外壳通过锚栓牢固连接；所述质量块底部设有环形限位块和永磁体，其中，环形限位块牢固连接于质量块底部，永磁铁固接于质量块底部；所述质量块通过环形滑动支座与底板连接，其中，质量块与环形滑动支座之间通过滑动支座凹槽内的滚珠接触连接；所述质量块侧面通过SMA弹簧单元与加劲侧板连接，顶部通过预压弹簧单元与加劲上盖板连接，其中，SMA弹簧单元通过水平铰节点与加劲侧板连接，预压弹簧单元通过万向铰节点与加劲上盖板连接；所述SMA弹簧单元通过水平铰节点连接于质量块和外壳；所述预压弹簧单元通过万向铰节点与质量块和外壳连接；所述上盖板环形加劲肋、纵向加劲肋与加劲上盖板以焊接方式连接；所述竖向加劲肋、侧板环向加劲肋与加劲侧板以焊接方式连接；所述铜板固定于底板表面。2.根据权利要求1所述的低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，其特征在于，所述水平导向杆和竖向导向杆采用高强度合金空心导杆，外表面镀硬铬。3.根据权利要求1所述的低频形状记忆合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鑫，王浩，李爱群，周广东，孙勇，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32