基于超弹性SMA的可变频隔振器

摘要

本发明公开一种基于超弹性SMA的可变频隔振器，其包括SMA驱动丝、超弹性SMA阻尼材料、复位弹簧、设有凹槽的底座、以及顶盖，超弹性SMA阻尼材料放置在底座的凹槽中，将顶盖覆盖在超弹性SMA阻尼材料上，用SMA驱动丝连接底座和顶盖的边缘处，并将SMA驱动丝拉紧，SMA驱动丝和底座以及顶盖之间有绝缘垫相隔，复位弹簧套在底座外部，将所有SMA驱动丝串连，串连后两端分别与直流电源的两端相连。本发明中的隔振器可以实现半主动的振动抑制，不仅能减轻高频冲击振动的危害，同时可以简单地接通电源改变自身的固有频率，以避免低频振动被放大。本发明设计的隔振器结构简单，部件较少，易于加工装配，容易实现工程应用。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于超弹性SMA的可变频隔振器，其采用具有超弹性的形状记忆 合金(SMA)作为阻尼材料，采用具有单程形状记忆效应的形状记忆合金(SMA)作 为驱动器，可用作航天器内部的隔振器件。

背景技术：

航天器在火箭运载过程中往往经历振动和冲击的过程，在这些过程中航天器内部容 易出现结构破坏，局部失稳，尤其在如今航天器搭载的电子设备越来越多，电子设备稳 定性要求越来越高的情况下，减少振动冲击对航天器内部电子设备的损害变得十分重 要。目前振动抑制手段按照控制过程中是否需要外界供能可以将其主要划分为三种：被 动控制、主动控制和半主动控制。

被动振动控制，即指通过改变被控结构的质量分布以降低其振动响应，或者在原被 控结构上增添附加的隔振设备来吸收或消耗结构振动的能量，这种方法无需从外部输入 能量，在许多场合下能取得良好的减振效果，是最早研究的一种振动控制方法。此方法 对于高频振动有一定的抑制作用，同时还具有结构简单、易于实现、经济环保等优点， 具有高的可靠性和鲁棒性，但这种方法缺乏控制上的灵活性，对环境变化适应性差。

为了克服被动控制方法的缺点，研究人员提出了主动控制的方法并进行了探索。主 动控制具有控制效果好，适应能力强等优点，但因其控制系统较为复杂，可靠性不高， 体积较大，成本高昂且需要外界提供能量，在应用中也有很多局限。

随着振动控制手段的发展，半主动控制的概念被提出，半主动控制方法兼具主动控 制和被动控制的优点，仅需外部提供较少的能量，系统稳定可靠，成本较低，占用体积 小，应用范围广，因而受到人们越来越多的关注。

本发明为一种半主动振动控制手段，利用形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性效 应设计出一种隔振器，对有害振动和冲击进行抑制，下面简要介绍形状记忆合金的相关 性能。

形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy，简写SMA)作为一种新型智能材料，以它独 特的形状记记忆效应和超弹性效应，以及优良的理化性能和生物相容性，在工程、控制、 医疗、能源与机械等领域应用日趋广泛。形状记忆合金的形状记忆机制是基于一种可逆 的固态相变，即低温相马氏体和高温相奥氏体之间的转变，这种相变称作马氏体相变。 常用的镍-钛形状记忆合金存在三种基本的晶体结构：马氏体、奥氏体、应力诱发马氏 体。当合金为低温马氏体相时，合金较软，表现为具有很好的延展性和可拉伸性，当被 加热到一定温度后，合金开始收缩并转变为奥氏体，表现为强度和刚度得到明显提高。 应力诱发马氏体是指对处于奥氏体状态的合金施加外力，则合金发生奥氏体向马氏体的 转变，所形成马氏体为应力诱发马氏体。当应力去除后，则又转变为奥氏体。这种效应 称为超弹性。

形状记忆合金(SMA)除了通常的弹性变形、塑性变形、热膨胀及收缩外，还具有 三种形状记忆特点，分别为：

1)单程形状记忆效应：对处于马氏体状态的合金施加外力，使其产生塑性变形， 卸除外力后，则塑性变形被保留下。对合金进行加热，则可回复到变形前的状态。此后， 再对合金进行冷却，则没有形状的改变。由于单程形状记忆效应能够产生大的恢复力和 恢复应变，因此在驱动器的应用上较多。

2)双程形状记忆效应：除了单程形状记忆效应外，对加热后的合金再进行冷却， 合金仍可发生形状的改变，而不需要施加外力，即通过加热与冷却可使形状反复变化。 但由于双程形状记忆效应在恢复力与恢复应变方面均比单程效应小，用来作为受力驱动 元件的不多。

3)超弹性：在高于的奥氏体转变结束温度条件下，对形状记忆合金施加外力，使 其发生变形，如卸除外力，则合金完全回复到初始形状，而不需要加热或冷却，这种特 点被称作超弹性。

现有常用的隔振器往往是被动隔振器，只能降低冲击或者高频振动的影响，在其固 有频率附近的振动不仅不能抑制反而会放大。而且常用的如橡胶隔振器等疲劳寿命有限 且经常会因为发生永久变形而被破坏。

目前将SMA用作阻尼材料的研究多集中地震减振领域，因为SMA具有超弹性， 可以吸收更多的振动能量并及时回复到原来的形状，而不易产生永久变形。如凌育洪等 人设计了一种新型SMA阻尼器并对其减振性能进行研究，该设计仅仅是一种被动隔振 器的设计，不需要外界供能，也不能改变自身的固有频率，(见期刊：华南理工大学学 报(自然科学版)，2011年,6月，第39卷第6期)。

这些被动式的隔振器只在特定范围内能起到特定的隔振效果，但是遇到其固有频率 附近的振动时，不仅不能抑制振动，反而能将振动放大，会出现较坏的影响。本发明中 利用形状记忆合金的形状记忆效应作为驱动器，同时结合具有超弹性的形状记忆合金阻 尼材料设计的半主动隔振器目前国内尚未见任何相关报道。

发明内容：

本发明提供一种基于超弹性SMA的可变频隔振器，其利用具有形状记忆效应的 SMA丝作为驱动元件，利用具有超弹性效应的SMA丝制作阻尼材料，可以通过直流电 源加热驱动元件发生相变，压缩超弹性阻尼材料，从而改变隔振器的固有频率。本发明 可以根据需要改变该隔振器的固有频率，可以实现未通直流电时，隔振器固有频率较小， 更好地降低冲击振动的影响，通以直流电加热驱动元件后，隔振器固有频率变高，可避 免隔振器放大低频振动，从而保证隔振器既能降低分离等阶段的冲击影响，也能避免正 常工作时引擎等低频振动的放大，提高被隔振设备的安全性和稳定性。

本发明采用如下技术方案：一种基于超弹性SMA的可变频隔振器，其包括SMA 驱动丝、超弹性SMA阻尼材料、复位弹簧、设有凹槽的底座、以及顶盖，所述超弹性 SMA阻尼材料放置在底座的凹槽中，将顶盖覆盖在超弹性SMA阻尼材料上，用所述 SMA驱动丝连接底座和顶盖的边缘处，并将SMA驱动丝拉紧，所述SMA驱动丝和底 座以及顶盖之间有绝缘垫相隔，所述复位弹簧套在底座外部，将所有SMA驱动丝串连， 串连后两端分别与直流电源的两端相连。

进一步地，所述超弹性SMA阻尼材料选用直径为0.2毫米，奥氏体转变结束温度 为10摄氏度的Ni-Ti合金丝。

进一步地，所述SMA驱动丝选用直径为0.5毫米、合金为Ni含量为50.1at％的Ni-Ti 合金。

进一步地，所述底座和顶盖上分别设有四个上下方向相对齐的孔，所述绝缘垫放置 在孔中，所述SMA驱动丝分别穿过底座和顶盖中的孔中。

本发明具有如下有益效果：与传统的被动隔振器相比，本发明中的隔振器可以实现 半主动的振动抑制，不仅能减轻高频冲击振动的危害，同时可以简单地接通电源改变自 身的固有频率，以避免低频振动被放大。与主动控制方法相比，该隔振器具有结构简单， 体积小，可靠性更好，成本低廉等优点。同时和普通橡胶等隔振器相比，该隔振器阻尼 材料由SMA制成，疲劳性能更好，和普通金属材料作为阻尼材料相比，具有超弹性能 吸收更多的振动能量。本发明设计的隔振器结构简单，部件较少，易于加工装配，容易 实现工程应用。

附图说明：

图1为本发明基于超弹性SMA的可变频隔振器主视图的半剖视图。

图2为图1中的A-A剖视图(注：图2中为表达清晰未画复位弹簧)。

其中：

1-顶盖；2-SMA驱动丝；3-复位弹簧；4-底座。

具体实施方式：

请参照图1和图2所示，本发明基于超弹性SMA的可变频隔振器包括SMA驱动 丝2、超弹性SMA阻尼材料、复位弹簧3、设有凹槽的底座4和顶盖1。其中超弹性SMA 阻尼材料由SMA丝编制后压缩而成，在工况下处于奥氏体相，具有超弹性效应。超弹 性SMA阻尼材料放置在底座4的凹槽中，将顶盖1覆盖在其上。用SMA驱动丝2连 接底座4和顶盖1的边缘处，并将SMA驱动丝2拉紧，SMA驱动丝2和底座4以及顶 盖1之间有绝缘垫相隔。将所有SMA驱动丝2串连，串连后两端分别与直流电源的两 端相连。为保证隔振器的强度和刚度，底座4和顶盖1均采用钢材加工。

本发明基于超弹性SMA的可变频隔振器的制作主要分为三部分：超弹性SMA阻 尼材料的制作，SMA驱动丝的预处理和零部件的加工。

超弹性SMA的可变频隔振器的关键在于超弹性阻尼材料的制作，选用直径为0.2 毫米，奥氏体转变结束温度为10摄氏度(低于工况)的Ni-Ti合金丝，此时形状记忆合 金丝具有超弹性效应。在特定模具上缠绕数圈后将其压缩，压缩至形状记忆合金丝的体 积占比为25％，即完成超弹性SMA阻尼材料的制作。

SMA驱动丝的预处理：选用的SMA驱动丝的直径为0.5毫米、合金为Ni含量为 50.1at％的Ni-Ti合金。首先对SMA驱动丝进行性能稳定化处理，即将SMA驱动丝在0℃ 冰水和100℃的沸水中反复浸泡50次以上，每次浸泡时间不少于2分钟，以稳定其性能。 然后对SMA驱动丝进行退火处理，消除内部应力，提高塑性以利于弯曲。退火加热温 度450℃，保温30分钟，随炉冷却。最后对SMA驱动丝进行拉伸应变处理，预拉伸应 变量为5％。

其他各零部件的加工：底座和顶盖均用钢材加工而成，购买成品绝缘垫保证SMA 驱动丝和顶盖以及底座间绝缘。

隔振器的装配过程：将隔振器底座平放，超弹性SMA阻尼材料放置在底座的凹槽 中，安装复位弹簧，将复位弹簧套在底座外部，将顶盖覆盖在SMA阻尼材料上，用四 根SMA驱动丝分别穿过底座和顶盖中预留的对应的四个孔，然后在孔中放置绝缘垫， 最后将SMA驱动丝拉紧，使复位弹簧具有一定的预应力。

变频过程：接通直流电源，保持直流电源电压为10V左右，通过焦耳热对SMA驱 动丝进行加热，当SMA驱动丝达到奥氏体相变温度后，SMA驱动丝产生收缩力，拉紧 顶盖，顶盖对超弹性SMA阻尼材料压缩，使阻尼材料的刚度变大，隔振器的固有频率 增加。切断电源后，SMA驱动丝逐渐冷却，由奥氏体相转变为马氏体相，此时在复位 弹簧的作用下，SMA驱动丝恢复至原来的长度，通过接通和切断电源的操作可以实现 隔振器的反复变频。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的 保护范围。