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        SMA—疊層橡膠復(fù)合隔震支座耗能能力的影響因素研究

        2017-04-10 18:26:56王錦力牟善鑫劉海卿
        地震研究 2017年1期
        關(guān)鍵詞:有限元模擬

        王錦力+牟善鑫+劉海卿

        摘要:為研究SMA絲-疊層橡膠支座和SMA絞線-疊層橡膠支座力學(xué)性能,基于Auricchio & Sacco本構(gòu)模型分析形狀記憶合金材料的超彈性特性,采用有限元方法分別建立這兩種橡膠支座模型,在此基礎(chǔ)上以位移幅值和豎向荷載作為主要影響因素,數(shù)值模擬分析得出兩種橡膠支座的恢復(fù)力-位移滯回曲線,建立了位移和荷載變量對支座的等效水平剛度、等效阻尼比和單位循環(huán)耗能的關(guān)系,進而分析兩種橡膠支座的性能差異,為該支座的工程設(shè)計和使用提供理論依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:SMA絲-絞線疊層橡膠支座;Auricchio & Sacco本構(gòu);有限元模擬;滯回曲線

        中圖分類號:TU352文獻標識碼:A文章編號:1000-0666(2017)01-0070-05

        0引言

        隔震結(jié)構(gòu)是指在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層,以延長結(jié)構(gòu)自震周期、增大阻尼、減小地震作用對上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng),達到預(yù)期的防震要求。形狀記憶合金(Shape Memory Alloy縮寫為SMA)是一種新型功能性和智能性材料,它與普通材料相比,具有獨特的超彈性和形狀記憶特性。應(yīng)用SMA絲的超彈性和形狀記憶特性與普通疊層橡膠支座制成的SMA-復(fù)合疊層橡膠支座在智能隔震減震領(lǐng)域具有良好的效果。

        我國對形狀記憶合金絲的基本力學(xué)性能進行了大量的研究并取得了重要的研究成果(王社良等,2007;賀志榮,2005;錢輝等,2013);有關(guān)學(xué)者對應(yīng)用了SMA絲(絞線)的疊層橡膠支座的動力響應(yīng)和數(shù)值模擬等性能進行了研究(莊鵬,薛素鐸,2013;莊鵬等,2006;劉海卿等,2007);但對于SMA絲和SMA絞線對支座剛度、耗能和等效阻尼比影響的分析很少,為此本文應(yīng)用Auricchio & Sacco本構(gòu)模型采用有限元分析軟件ADINA對SMA絲和SMA絞線對支座的性能差異進行數(shù)值模擬對比。

        1SMA絲材料數(shù)值模擬研究

        11Auricchio&Sacco本構(gòu)模型形狀記憶合金材料的應(yīng)變可以用如下公式表示:

        其中,εe為彈性應(yīng)變,ξSβ為相變應(yīng)變,α(T-T0)為溫度引起應(yīng)變,β為馬氏體逆向變參數(shù),α為熱膨脹系數(shù),T0為參考溫度,T為試驗溫度。

        形狀記憶合計材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為

        彈性模量E與馬氏體體積分數(shù)ξS有關(guān),采用下式:

        式中,EA為奧氏體彈性模量(MPa),ES為馬氏體彈性模量(MPa)。

        12模型驗證

        王社良(2000)使用有效長度150 mm、直徑01 mm、最大恢復(fù)應(yīng)變8%、最大恢復(fù)力為600 Mpa的形狀記憶合金絲做拉伸試驗,得到了一條形狀飽滿的應(yīng)力應(yīng)變曲線。數(shù)值模擬采用Auricchio & Sacco本構(gòu),通過有限元分析軟件ADINA對相變偽彈性進行模擬,基本材料參數(shù)見表1。通過試驗結(jié)果和有限元模擬結(jié)果對比,數(shù)值模擬與試驗結(jié)果擬合良好,如圖1所示。

        試驗結(jié)果與模擬結(jié)果如圖1所示,通過對比分析,數(shù)值模擬結(jié)果與文獻的試驗結(jié)果有較好的擬合性,應(yīng)用此本構(gòu)模型可以對SMA絲的超彈性進行較好的模擬。地震研究40卷第1期王錦力等:SMA-疊層橡膠復(fù)合隔震支座耗能能力的影響因素研究

        2SMA絲、SMA絞線-疊層橡膠支座有限元分析

        21模型建立SMA-疊層橡膠支座主要由形狀記憶合金絲(絞線)、橡膠、薄鋼板組成。橡膠屬于超彈性近似不可壓縮材料,具有較好的彈性,在外力作用下能發(fā)生較大位移,表現(xiàn)出復(fù)雜的材料非線性和幾何非線性,采用Mooney-Rivlin模型分析和計算(江宜城等,2008;鄭明軍等,2003)。形狀記憶合金絲(絞線)用Truss單元連接于疊層橡膠支座的封板之間,整體結(jié)構(gòu)采用8結(jié)點3D實體單元建模,效果圖如圖2所示。

        22材料參數(shù)

        疊層橡膠支座直徑200 mm,材料參數(shù)如表2、3所示,試件中鋼板均采用Q235。形狀記憶合金絲直徑1 mm,絞線用7根直徑1 mm合金絲按照鋼絞線國家標準機械捻制而成,加工后絞線直徑45 mm,主要性能參數(shù)如表1(劉海卿,2006)。

        23數(shù)值模擬

        分析SMA絲-疊層橡膠支座和SMA絞線-疊層橡膠支座在受力和變形不同條件下的性能差異,用表1形狀記憶合金絲材料參數(shù)進行了2種工況模擬試驗。模擬工況1,控制豎向壓力不變,研究水平位移幅值加載對形狀記憶合金絲、絞線的影響。模擬工況2,保持兩試件水平位移幅值不變,對其進行變壓力加載,工況數(shù)值見表4。模擬試驗可得到SMA絲、絞線疊層橡膠支座的恢復(fù)力-位移滯回曲線,實驗結(jié)果如3圖所示。

        3結(jié)果分析

        根據(jù)試驗工況結(jié)果計算SMA絲、絞線-疊層橡膠支座的單位循環(huán)耗能WS、等效剛度KS和等效阻尼比ξS,由于滯回曲線的形狀和面積反映了疊層橡膠支座的耗能能力,滯回曲線越飽滿,面積越大,耗能越大,阻尼越大,因此,可用滯回曲線所包圍的面積表示單位循環(huán)耗能,等效剛度和等效阻尼比的計算公式如下

        式中,Xmax為最大水平正位移;Xmin為最大水平負位移;Qmax為與Xmax對應(yīng)的水平剪力;Qmin為與Xmin對應(yīng)的水平剪力;Δ為循環(huán)幅值。

        31等效剛度

        由有限元分析軟件經(jīng)公式計算得出SMA絲、絞線-疊層橡膠支座位移幅值和豎向力與剛度的關(guān)系曲線,如圖4a、b所示。結(jié)果表明:(1)位移幅值和豎向應(yīng)力的變化對SMA絲、絞線疊層橡膠支座的等效剛度有影響,且影響效果與加載值有關(guān);(2)等效剛度隨位移幅值和豎向力的增大而減小,且位移幅值對剛度的影響較明顯;(3)SMA絞線較SMA絲對支座的等效水平剛度影響較大,為支座提供更大的等效水平剛度。

        32等效阻尼比

        位移幅值和豎向荷載對SMA絲、絞線-疊層橡膠支座等效阻尼比的影響如圖5a、b所示。結(jié)果表明:在一定位移變化范圍內(nèi)等效阻尼比隨位移的增大而增大,高于某一值時隨位移的增大而減小,且豎向荷載的變化對等效阻尼比的影響較?。煌饨鐥l件相同時,SMA絲-疊層橡膠支座比SMA絞線-疊層橡膠支座的等效阻尼比大3 3單位循環(huán)耗能

        位移幅值和豎向荷載對SMA絲、絞線-疊層橡膠支座等效阻尼比的影響如圖6所示。圖示結(jié)果表明:不論是SMA絲還是SMA絞線-疊層橡膠支座,水平位移與單位循環(huán)耗能成正比,豎向荷載與單位循環(huán)耗能成反比,且位移因素對單位循環(huán)耗能的影響非常顯著;SMA絞線的耗能能力優(yōu)于SMA絲的耗能能力,說明SMA絞線可以有效提高疊層橡膠支座的超彈性性能,但同時也降低了它的耗能能力

        4結(jié)論

        本文基于Auricchio & Sacco本構(gòu)模型分析SMA絲-疊層橡膠支座和SMA絞線-疊層橡膠支座力學(xué)性能,通過研究位移幅值和豎向荷載的變化規(guī)律,建立了位移和荷載變量對支座的等效水平剛度、等效阻尼比和單位循環(huán)耗能的關(guān)系,分析了SMA線-疊層橡膠支座與SMA絞線-疊層橡膠支座的性能差異,初步得到如下結(jié)論:

        (1)采用Auricchio & Sacco本構(gòu)模型能夠較完整地反映形狀記憶合金材料超彈性和形狀記憶特性,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果有較高的擬合度,說明該本構(gòu)模型有廣泛的適用性。

        (2)由結(jié)果分析可得到,位移幅值和豎向應(yīng)力的變化對SMA絲、絞線疊層橡膠支座的單位循環(huán)耗能、等效剛度和等效阻尼比都有影響,其影響效果與加載方式和加載數(shù)值有關(guān),且在一定范圍內(nèi)位移幅值對單位循環(huán)耗能、等效剛度和等效阻尼比的影響效果比較明顯。

        (3)對2種工況的分析表明,SMA絞線-疊層橡膠支座較SMA絲-疊層橡膠支座有更好的耗能能力和剛度,但等效阻尼比低于SMA絲-疊層橡膠支座,說明SMA絞線相對SMA絲具有更強大的超彈性性能,但在獲得這一方面的優(yōu)勢時,不可避免地降低了它的單位變形耗能能力。

        參考文獻:

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        劉海卿,陳小波,王學(xué)慶2007SMA絞線-疊層橡膠復(fù)合支座結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)[J].自然災(zāi)害學(xué)報,16(5):130-134

        劉海卿2006SMA絞線-疊層橡膠復(fù)合支座的研制及其隔震性能試驗研究[D].天津:天津大學(xué)

        錢輝,李靜斌,李宏男,等2013結(jié)構(gòu)振動控制的不同直徑NiTi絲力學(xué)性能試驗研究[J].振動與沖擊,32(24):89-95

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