SMA拟橡胶金属阻尼元件及其在减振中的应用

　　形状记忆合金(SMA,Shape Memory Alloys)在工业领域获得应用主要是它的2个物理特性:①形状记忆特性(SME),即加热到某一温度之上,能够恢复到变形前的形状.利用此特性,将SMA作为驱动元件,可以实现系统的智能化.②超弹性,即SMA在奥氏体相变结束温度之上,受到应力变形后,在应力消失后可以完全消除应变.SMA具有超性特性的同时,其滞后环包围了较大的面积,因此具有较大的材料阻尼.目前,各国学者都在努力探索SMA超弹性特性在振动控制领域的应用[1~4].从研究结果来看,各种形式的SMA减振器,相对其它大阻尼的粘弹性减振结构,阻尼性能还是有欠缺.此外,SMA丝减振器的阻尼性能稍好,但在承载能力方面有不足.可见,有必要探索新型的SMA减振器设计方案.近年来发展起来的拟橡胶金属新技术是一种很好的增大阻尼的方法[5].拟橡胶金属是由普通的不锈钢丝或铁丝制成的,其制造过程是先将金属丝绕成螺旋状的弹簧形状,然后再拉伸放入模具中压制成型.由于拟橡胶金属减振器由很多的小弹簧组成,在受到外力作用时,小弹簧之间的相互滑移产生的摩擦必然消耗部分能量,因此,在具备了金属减振器优点的同时,其阻尼性能好,所占空间体积小,制成的减振器形状自由,有较大的应用潜力.利用SMA的超弹性特性,借鉴拟橡胶金属的构造方式,本文提出利用超弹性SMA丝来制作拟橡胶金属阻尼元件,并利用其设计了减振器,对减振器的性能和减振效果进行了全面的研究.

　　1　SMA新型阻尼材料及减振器

　　1·1　SMA新型阻尼材料

　　制作拟橡胶金属元件选用超弹性特性优异的NiTi丝(w(Ti)=55·6%Ni,相变温度为:马氏体相变开始温度Ms=-17℃,马氏体相变结束温度Mf=-30℃,奥氏体相变开始温度As=21·5℃,奥氏体相变结束温度Af=29℃),其室温下的应力-应变关系如图1.为了进行对比研究,同时选取有记忆特性的NiTi丝(Ms=30℃,Mf=-5℃,As=64℃,Af=73℃)和Ni基高温合金GH4169(物理性能见文献[1])来制作拟橡胶金属阻尼元件.

　　3种材料制作的拟橡胶金属阻尼元件如图2所示.为了便于研究由于材料不同而引起的元件性能的变化,在制作过程中,保证不同材料元件的金属丝缠绕密度基本相同.共制作拟橡胶金属元件9个,每种材料各3个,形状为环形(外径D,内径d,高度h);3个相同的材料中,取厚度高的编号为Ⅰ,其它2个规格相同(h小),取其中一个编号为Ⅱ;不同材料之间利用SE(超弹性SMA),SME(记忆特性SMA),GH(高温合金GH4169)来区分,具体规格参数见表1.

　　此次研究设计的拟橡胶金属元件均为受压型,因此承载能力很大.首先对拟橡胶金属元件进行了压缩特性测试,试验利用CSS-280液压疲劳机完成.图3为3种不同材料压缩迟滞特性曲线的对比.可以看出,SE元件的可恢复变形最大,可达元件高度的33%,而GH元件的可恢复变形最小,为20%,SME位于前两者之间.