形状记忆合金隔震支座设计与分析

摘要

在土木工程领域，利用智能材料的独特性能开发和研制适于土木工程结构的减隔震装置，是国内外该领域研究的热点问题之一。本文以这一问题为研究背景，从形状记忆合金(SMA)材料的力学性能分析、SMA支座的设计和空间网架SMA隔震体系的动力分析三个方面开展了研究工作。本文主要工作和成果如下： 1、分析了形状记忆合金的超弹性特性，总结了影响形状记忆合金超弹性特性的因素：归纳总结了目前已有的一些形状记忆合金本构模型及其特点。在NiTi形状记忆合金丝拉伸试验的基础上，根据SMA的超弹性特性，基于塑性理论、马氏体相变动力学及SMA线性化模型，将马氏体体积百分数作为状态变量之一，建立了SMA简化的超弹性多维本构模型，该模型考虑温度、应变速率、应变幅值及初始马氏体体积分数的影响。对简化模型的计算结果与试验结果进行比较，结果表明，模型可以用来模拟复杂荷载条件下的SMA超弹性特性。 2、根据SMA的超弹性特性，设计了一种超弹性SMA隔震支座，根据该隔震支座的结构构造、工作原理，建立了它的理论计算模型，对该支座的力学特性进行分析。在分析超弹性SMA隔震支座受力特性的基础上，建立了有限元模型，进行理论模型的数值模拟并与有限元模型进行对比，结果比较吻合。就计算模型中的主要参数对隔震支座力学性能的影响规律进行了数值分析。分析结果表明，该支座呈现饱满的非线性滞回特性，可以用作工程结构的隔震装置。 3、以某空间网架结构厂房为背景工程，对网架结构SMA隔震体系进行了分析计算：对空间网架结构水平抗震体系和隔震体系的计算模型进行了简化分析，综合考虑多种因素，在网架结构中使用柱顶隔震体系较优。对超弹性SMA隔震支座的水平力学性能进行了双线性简化，利用Wen提出的滞回模型能够较好地模拟结构中SMA支座的力学性能。在空间网架结构柱顶安装与其参数相匹配的SMA支座，建立了有限元模型并进行了动力时程分析，结果表明，相较于抗震体系，网架结构SMA柱顶隔震体系能有效地降低结构各部分的地震响应，支座在结构罕遇地震作用下的最大位移小于支座的设计极限位移，且有一定的安全储备。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2结构隔震研究现状

1.2.1结构隔震机理简介

1.2.2空间结构隔震体系研究现状

1.3 形状记忆合金及其在隔震结构中的研究现状

1.3.1形状记忆合金及其特性

1.3.2形状记忆合金的类型与材料的研究进展

1.3.3形状记忆合金隔震系统研究现状

1.4本文研究的主要内容

参考文献

第二章 形状记忆合金超弹性本构模型简化方法研究

2.1引言

2.2形状记忆合金的超弹性及其主要影响因素

2.2.1形状记忆合金的超弹性特性分析

2.2.2影响形状记忆合金超弹性的主要因素

2.3现有的形状记忆合金本构模型

2.3.1形状记忆合金理论模型分类简介

2.3.2形状记忆合金理论模型特点比较

2.3.3形状记忆合金简化模型简介

2.4形状记忆合金超弹性多维本构模型的简化

2.4.1基本假定

2.4.2相变应力及相应临界应变的确定

2.4.3多维简化本构模型的建立

2.4.4数值模拟

2.5本章结论

参考文献

第三章 形状记忆合金隔震支座的设计与性能研究

3.1 引言

3.2超弹性SMA支座的结构构造及原理

3.2.1结构构造

3.2.2工作原理

3.3超弹性SMA支座的计算模型

3.3.1超弹性SMA材料的选择

3.3.2基本假定

3.3.3支座基本单元的计算模型

3.3.4支座的计算模型

3.4超弹性SMA支座力学性能的有限元分析

3.4.1有限元分析的目的

3.4.2 SMA支座的有限元建模

3.4.3有限元分析结果

3.4.4计算模型数值模拟及其与有限元模型的对比

3.5参数分析

3.5.1 SMA棒长度的影响

3.5.2 SMA棒半径的影响

3.5.3 SMA棒与水平方向夹角的影响

3.5.4基本单元个数的影响

3.5.5位移幅值的影响

3.6超弹性SMA支座各向性能相关性研究

3.6.1竖向位移对水平向力学性能的影响

3.6.2水平向位移对竖向力学性能的影响

3.7本章结论

参考文献

第四章 空间网架结构SMA隔震研究

4.1 引言

4.2网架结构隔震体系简化分析模型研究

4.3超弹性SMA隔震支座简化分析模型

4.4网架结构的运动方程

4.4.1基本假定

4.4.2固定支座下网架结构的运动方程

4.4.3设有SMA支座网架结构的运动方程

4.5某大跨网架结构柱顶采用SMA隔震支座的动力分析

4.5.1工程概况

4.5.2结构布置

4.5.3柱顶SMA隔震支座布置及参数设计

4.5.4整体计算模型

4.5.5动力特性分析

4.5.6地震响应分析

4.5.7 小结

4.6本章结论

参考文献

第五章 全文总结与展望

5.1全文工作总结

5.2进一步研究的工作与展望

致谢