基于形状记忆合金的结构振动控制理论和应用方法研究

论文摘要

形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)材料是一种新型的功能型材料，具有独特的形状记忆效应，即在低温下产生的塑性变形，经高温后可完全消失并能恢复到初始状态，如果其形状恢复受到限制，则将产生巨大的相变恢复力。同时，SMA材料还具有良好的相变超弹性性能和变阻尼特性，能够耗散较大的外界能量。鉴于SMA的上述优点，本文主要利用SMA的相变超弹性性能和较大阻尼等特性，进行了地震作用下结构的被动控制理论和应用方法研究。主要内容包括以下几个方面：(1)通过对SMA丝的拉伸—卸载循环试验，研究了SMA材料的相变超弹性性能，得到了有限元分析所需的材料性能参数。(2)介绍了SMA的主要本构模型，并比较了各自的优缺点，接着详细介绍了ANSYS有限元程序所采用的SMA超弹性恢复力模型，为应用ANSYS有限元软件分析SMA材料力学性能提供了依据。(3)以结构振动控制理论为基础，针对框架结构剪切型变形的特点，利用SMA被动拉索，进行了单榀六层钢框架模型在地震激励下的结构时程响应分析，研究了SMA被动拉索的控制效果，探讨了相应的控制机理和规律。结果表明，在层间对角设置施加预应变的SMA被动拉索，不仅能够有效地减小结构的地震响应，而且构造简单，适应机制强，具有很好的应用前景。(4)提出了在框架柱反弯点附近设置SMA控制装置对结构地震响应进行被动控制的新方法，研究了相应的控制原理和规律，检验了控制效果。结果表明，在柱反弯点处设置SMA控制装置也可对结构的地震响应进行很好的控制，应用时可根据实际情况进行选择。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 工程结构减震控制的理论
• 1.2.1 主动控制措施
• 1.2.2 被动控制措施
• 1.3 形状记忆合金在土木工程中的振动控制研究
• 1.3.1 SMA被动控制研究现状
• 1.3.2 SMA主动控制研究现状
• 1.4 本文主要研究工作
• 2 形状记忆合金本构关系及力学性能试验
• 2.1 形状记忆合金的基本概念
• 2.1.1 形状记忆效应（SME）
• 2.1.2 超弹性效应
• 2.1.3 阻尼特性
• 2.1.4 电阻特性
• 2.2 形状记忆合金的本构模型
• 2.2.1 单晶理论本构模型
• 2.2.2 Graesser-Cozzarelli本构模型
• 2.2.3 Boyd和Lagoudas模型
• 2.2.4 Stalmans模型和改进的Stalmans模型
• 2.2.5 Kanaka、Liang及Brinson模型
• 2.2.6 超弹性回复力模型
• 2.3 形状记忆合金材料的力学性能试验
• 3 形状记忆合金拉索被动控制原理及有限元建模
• 3.1 SMA拉索被动控制原理
• 3.2 结构的被动控制方程
• 3.2.1 基本假定
• 3.2.2 结构的运动方程及其解法
• 3.3 有限单元法基本原理
• 3.4 ANSYS有限元程序分析过程
• 3.4.1 ANSYS有限元程序简介
• 3.4.2 ANSYS有限元程序建模
• 4 形状记忆合金拉索被动控制的有限元分析
• 4.1 控制方案
• 4.2 模态分析
• 4.3 结构的动力时程分析
• 4.3.1 地震波的选用和调整
• 4.3.2 控制效果的定义
• 4.3.3 位移控制效果比较
• 4.3.4 加速度控制效果比较
• 4.3.5 初始状态对控制效果的影响
• 4.4 SMA被动拉索控制结果分析
• 5 反弯点设置SMA丝的有限元分析
• 5.1 反弯点的概念
• 5.2 反弯点设置SMA的理论与实例分析
• 5.2.1 反弯点设置SMA丝的理论
• 5.2.2 算例分析
• 5.2.3 反弯点设置SMA的被动控制效果
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录