專利名稱:一種拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器的制造方法
【專利摘要】本實用新型是一種拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器，該阻尼器主要由連接法蘭、芯桿、導(dǎo)向螺母、缸筒、磁性形狀記憶單元、導(dǎo)向活塞、彈簧和封閉螺母組成，在缸筒內(nèi)部設(shè)有芯桿，沿芯桿周邊布置多個磁性形狀記憶單元，磁性形狀記憶單元兩端分別與導(dǎo)向螺母和導(dǎo)向活塞相連，在導(dǎo)向活塞和封閉螺母之間安裝彈簧，阻尼器兩端的設(shè)置連接法蘭與主體結(jié)構(gòu)連接。本實用新型存在被動、半主動和主動控制多種工作狀態(tài)，智能化程度較高，具有響應(yīng)頻率高、阻尼能力強、自動復(fù)位、性能較穩(wěn)定等優(yōu)點。
【專利說明】
一種拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于土木工程結(jié)構(gòu)耗能減振控制的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于土木工程結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域的智能控制裝置，用于在動力災(zāi)害作用下的安全性和舒適度控制。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)減振控制通過在結(jié)構(gòu)中合理設(shè)置減振耗能裝置，來有效地控制結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)在地震、大風或其他動力干擾作用下的各項反應(yīng)值被控制在允許范圍內(nèi)。它對于提高土木工程結(jié)構(gòu)的抗震、抗風能力，滿足結(jié)構(gòu)安全和使用功能要求，具有重要的意義。近年來，結(jié)構(gòu)智能控制由于較高的控制效率，受到廣泛的關(guān)注。結(jié)構(gòu)智能控制包括采用智能控制算法和采用智能驅(qū)動或智能阻尼裝置的兩類智能控制。后一類主要是指采用諸如電/磁流變液體、形狀記憶合金材料、壓電材料和電/磁致伸縮材料等智能驅(qū)動材料和器件為標志的結(jié)構(gòu)智能控制。已開發(fā)的一些裝置包括大出力磁流變阻尼器(CN 101215860A)、一種集成饋能的磁流變阻尼器(CN204985491U)、多層筒式壓電摩擦阻尼器(CN 2014126074 U)、形狀記憶合金摩擦大行程自復(fù)位阻尼器(CN 204435591U)、壓電陶瓷與磁流變液組合的饋能式阻尼器(CN 104165204A)等，其中，較為常用的智能阻尼器是磁流變阻尼器和壓電變摩擦阻尼器，這兩類阻尼器通常僅能實現(xiàn)被動控制與半主動控制兩種狀態(tài)的切換，無法成為主動控制所需的控制作動器，直接輸出阻尼力。
[0003]磁性形狀記憶合金(Magnetic Shape Memory 41107，簡寫為]/^]/^)不僅具有馬氏體相變引起的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，而且具有馬氏體變體重定向引起的磁致形狀記憶效應(yīng)和超彈性。它兼具壓電陶瓷和磁致伸縮材料響應(yīng)頻率快、溫控形狀記憶合金輸出應(yīng)變和應(yīng)力大的特點，是智能材料研究的熱門之一。它在機械、傳感等領(lǐng)域已經(jīng)有了較多的裝置研發(fā)，如磁控形狀記憶合金自傳感執(zhí)行器(CN101620412A)、差動式磁控形狀記憶合金執(zhí)行器(CN1633021A)、磁控形狀記憶合金蠕動型直線電機(CN1474504A)、一種高頻驅(qū)動裝置(CN202798522U)等裝置。近年來，在結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域亦有了一些原理上的研發(fā)，如磁控形狀記憶合金伸縮作動器(CN 102359198A)、基于磁控形狀記憶合金的建筑物防震系統(tǒng)及其感應(yīng)控制方法(CN103382743A)等。然而，由于材料的脆性和目前加工技術(shù)的限制，磁性形狀記憶合金材料多為較小的塊體，難以加工成絲材、棒材等尺度較大的構(gòu)件形式，適用于土木工程結(jié)構(gòu)的較大噸位的磁性形狀記憶合金阻尼器較為少見。
[0004]因此，充分利用磁性形狀記憶合金自身高響應(yīng)頻率、大輸出位移和自動復(fù)位等優(yōu)點，通過適當?shù)臉?gòu)造設(shè)計以避免其在加工性能上的缺陷，開發(fā)一種適應(yīng)于土木工程結(jié)構(gòu)的大噸位、兼具被動、半主動和主動控制裝置特性的智能阻尼器具有一定的實際意義。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的目的在于提供一種充分利用磁性形狀記憶合金熱磁力學(xué)性能、具有一定輸出噸位和多種工作狀態(tài)、適用于土木工程結(jié)構(gòu)的智能阻尼器，用于土木工程結(jié)構(gòu)在動力災(zāi)害作用下的耗能減振。該阻尼器在不通電、少量能源和足量能源時，分別能夠?qū)崿F(xiàn)被動、半主動和主動控制的功能，為真正的智能化控制提供硬件基礎(chǔ)，同時，由于磁性形狀記憶合金特殊的超彈性和形狀記憶效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)振后自動復(fù)位。
[0006]為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達到上述技術(shù)效果，本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007]一種拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器，包括缸筒，所述缸筒的一端開口處設(shè)有導(dǎo)向螺母，另一端開口處設(shè)有封閉螺母，在缸筒內(nèi)部設(shè)有芯桿，所述芯桿的一端活動地穿過導(dǎo)向螺母并露出于缸筒一部分，芯桿露出于缸筒的部分與第一連接法蘭相連接，所述芯桿的另一端與缸筒內(nèi)的一導(dǎo)向活塞相連接，在沿芯桿周邊布置多個磁性形狀記憶單元，所述磁性形狀記憶單元兩端分別與導(dǎo)向螺母和導(dǎo)向活塞相連，所述導(dǎo)向活塞和封閉螺母之間設(shè)有彈簧。
[0008]進一步的，所述磁性形狀記憶單元由兩個端部支架、多個磁性形狀記憶合金塊和多個中間支架組成，所述的兩個端部支架分別與導(dǎo)向螺母和導(dǎo)向活塞固接，所述中間支架設(shè)置于兩個端部支架之間，所述磁性形狀記憶合金塊固接于中間支架之間以及中間支架與端部支架之間。
[0009]進一步的，所述中間支架滑動地設(shè)置于缸筒內(nèi)側(cè)的一槽道內(nèi)，所述中間支架和端部支架具有的剛度以使變形發(fā)生在磁性形狀記憶合金塊處為宜。
[0010]進一步的，所述磁性形狀記憶合金塊采用Ni2MnGa、Ni2FeGa磁性形狀記憶合金、復(fù)合材料中的一種或多種，形成磁性形狀記憶合金塊的超彈性效應(yīng)和磁致形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生被動超彈性、半主動變阻尼和主動控制的多種控制模式。
[0011]進一步的，所述芯桿由導(dǎo)桿、線圈和導(dǎo)磁側(cè)翼組成，所述線圈引出的導(dǎo)線通過芯桿引致缸筒外。
[0012]進一步的，所述芯桿導(dǎo)出的導(dǎo)線連接電源，用于提供線圈產(chǎn)生沿缸筒徑向的磁場所需能源。
[0013]進一步的，該阻尼器還包括一種制作方法，該方法包括以下步驟:
[0014]步驟1.對結(jié)構(gòu)進行分析，計算出所需要的阻尼器設(shè)計參數(shù)，據(jù)此確定阻尼器缸筒截面、磁性形狀記憶單元尺寸與數(shù)量、芯桿尺寸等設(shè)計參數(shù)；
[0015]步驟2.采用高強度合金鋼無縫鋼管加工制作缸筒，內(nèi)側(cè)預(yù)留槽道，并對其內(nèi)表面采用冷擠壓工藝，增強耐磨性；
[0016]步驟3.根據(jù)設(shè)計參數(shù)制作端部支架、磁性形狀記憶合金塊和中間支架，將磁性形狀記憶合金塊固接于各中間支架之間，并在兩端固定端部支架，形成磁性形狀記憶單元；
[0017]步驟4.制作導(dǎo)桿，并在導(dǎo)桿上安裝線圈和導(dǎo)磁側(cè)翼，形成芯桿，進一步在芯桿的一端連接導(dǎo)向活塞，將制作好的磁性形狀記憶單元一端的端部支架與導(dǎo)向活塞固接；
[0018]步驟5.將拼裝好的芯桿和磁性形狀記憶單元沿對應(yīng)槽道裝入缸筒，再安裝導(dǎo)向螺母，并用螺栓通過導(dǎo)向螺母和端部支架預(yù)留的螺孔將未連接的端部支架與導(dǎo)向螺母固接；
[0019]步驟6.在導(dǎo)向活塞一側(cè)的缸筒安裝螺彈簧，并將彈簧與導(dǎo)向活塞固接，再壓入封閉螺母；
[0020]步驟7.在芯桿露出的端部和封閉螺母處安裝第一連接法蘭和第二連接法蘭，完成整個阻尼器的裝配。
[0021 ]本實用新型的有益效果是:
[0022]1.本實用新型能夠有效控制土木工程結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的響應(yīng)，保護主體結(jié)構(gòu)；
[0023]2.該裝置通過構(gòu)造充分利用了磁性形狀記憶合金塊的超彈性和磁性形狀記憶效應(yīng)，不通電時表現(xiàn)為被動自復(fù)位金屬阻尼器，少量能源通電時表現(xiàn)為屈服平臺可調(diào)節(jié)的半主動自復(fù)位金屬阻尼器，足量能源通電時表現(xiàn)為主動控制作動器和復(fù)位器；
[0024]3.該阻尼器充分考慮了目前磁性形狀記憶合金較脆、僅能制作小尺寸構(gòu)件等加工特點，具有多工作狀態(tài)、自動復(fù)位、響應(yīng)頻率高、阻尼能力強、性能較穩(wěn)定等優(yōu)點。
【附圖說明】

[0025]圖1是本實用新型的外觀不意圖；
[0026]圖2是本實用新型的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是本實用新型的A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4是本實用新型的B-B剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖中標號說明:1.第一連接法蘭，2.芯桿，3.導(dǎo)向螺母，4.缸筒，5.磁性形狀記憶單元，6.導(dǎo)向活塞，7.彈簧，8.封閉螺母，11.第二連接法蘭，21.導(dǎo)桿，22.線圈，23.導(dǎo)磁側(cè)翼，41.槽道，51.端部支架，52.磁性形狀記憶合金塊，53.中間支架。
【具體實施方式】
[0030]下面將參考附圖并結(jié)合實施例，來詳細說明本實用新型。
[0031]參照圖1所示，一種拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器，該阻尼器由第一連接法蘭1、第二連接法蘭11、芯桿2、導(dǎo)向螺母3、缸筒4、磁性形狀記憶單元5、導(dǎo)向活塞6、彈簧7和封閉螺母8組成，所述缸筒4的一端開口處設(shè)有導(dǎo)向螺母3，另一端開口處設(shè)有封閉螺母8，在缸筒4內(nèi)部設(shè)有芯桿2，所述芯桿2的一端活動地穿過導(dǎo)向螺母3并露出于缸筒4 一部分，芯桿2露出于缸筒4的部分與第一連接法蘭I相連接，封閉螺母8與第二連接法蘭11連接，所述芯桿2的另一端與缸筒4內(nèi)的一導(dǎo)向活塞6相連接，在沿芯桿2周邊布置多個磁性形狀記憶單元5，所述磁性形狀記憶單元5兩端分別與導(dǎo)向螺母3和導(dǎo)向活塞6相連，所述導(dǎo)向活塞6和封閉螺母8之間設(shè)有彈簧7，導(dǎo)向活塞6直徑略小于缸筒4內(nèi)徑，使得導(dǎo)向活塞6滑動地設(shè)于缸筒4內(nèi)。
[0032]在本實施例中，缸筒4為環(huán)形截面，采用高強度合金鋼無縫鋼管，并對其內(nèi)表面采用冷擠壓工藝，增強耐磨性，防止在工作過程中被活塞或中間支架拉毛或劃傷。
[0033]所述磁性形狀記憶單元5由兩個端部支架51、多個磁性形狀記憶合金塊52和多個中間支架53組成，所述的兩個端部支架51分別與導(dǎo)向螺母3和導(dǎo)向活塞6固接，所述中間支架53設(shè)置于兩個端部支架51之間，所述磁性形狀記憶合金塊52固接于中間支架53之間以及中間支架53與端部支架51之間。
[0034]所述中間支架53滑動地設(shè)置于缸筒4內(nèi)側(cè)的一槽道41內(nèi)，所述中間支架53和端部支架51具有的剛度以使變形發(fā)生在磁性形狀記憶合金塊52處為宜。
[0035]所述磁性形狀記憶合金塊52采用Ni2MnGa、Ni2FeGa磁性形狀記憶合金、復(fù)合材料中的一種或多種，形成磁性形狀記憶合金塊52的超彈性效應(yīng)和磁致形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生被動超彈性、半主動變阻尼和主動控制的多種控制模式。
[0036]所述芯桿2由導(dǎo)桿21、線圈22和導(dǎo)磁側(cè)翼23組成，所述線圈22引出的導(dǎo)線通過芯桿2引致缸筒4外。
[0037]所述芯桿2導(dǎo)出的導(dǎo)線連接電源，用于提供線圈22產(chǎn)生沿缸筒4徑向的磁場所需能源。
[0038]在本實施例中，制作拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器包括以下步驟:
[0039]步驟1.對結(jié)構(gòu)進行分析，計算出所需要的阻尼器設(shè)計參數(shù)，據(jù)此確定阻尼器缸筒截面、磁性形狀記憶單元尺寸與數(shù)量、芯桿尺寸等設(shè)計參數(shù)。
[0040]步驟2.采用高強度合金鋼無縫鋼管加工制作缸筒，內(nèi)側(cè)預(yù)留槽道，并對其內(nèi)表面采用冷擠壓工藝，增強耐磨性。
[0041]步驟3.根據(jù)設(shè)計參數(shù)制作端部支架51、磁性形狀記憶合金塊52和中間支架53，將磁性形狀記憶合金塊52固接于各中間支架53之間，并在兩端固定端部支架51，形成磁性形狀記憶單元5。
[0042]步驟4.制作導(dǎo)桿21，并在導(dǎo)桿21上安裝線圈22和導(dǎo)磁側(cè)翼23，形成芯桿2，進一步在芯桿2的一端連接導(dǎo)向活塞6，將制作好的磁性形狀記憶單元5—端的端部支架51與導(dǎo)向活塞6固接。
[0043]步驟5.將拼裝好的芯桿2和磁性形狀記憶單元5沿對應(yīng)槽道41裝入缸筒4，再安裝導(dǎo)向螺母3，并用螺栓通過導(dǎo)向螺母3和端部支架51預(yù)留的螺孔將未連接的端部支架51與導(dǎo)向螺母3固接。
[0044]步驟6.在導(dǎo)向活塞6—側(cè)的缸筒4安裝螺彈簧7，并將彈簧7與導(dǎo)向活塞6固接，再壓入封閉螺母8。
[0045]步驟7.在芯桿2露出的端部和封閉螺母8處安裝第一連接法蘭I和第二連接法蘭11，完成整個阻尼器的裝配。
[0046]本實用新型原理
[0047]本實用新型中當阻尼器兩端的第一連接法蘭1、第二連接法蘭11與結(jié)構(gòu)共同工作發(fā)生相對運動，推拉芯桿2，使與芯桿2相連的導(dǎo)向活塞6沿軸向相對運動，拉壓磁性形狀記憶單元5沿阻尼器軸向發(fā)生相對位移，由于磁性形狀記憶單元5中磁性形狀記憶合金塊52的約束作用，提供阻尼器的輸出力；利用芯桿2導(dǎo)出的電線，可給阻尼器通電，適量的電源下能夠在磁性形狀記憶合金塊52對應(yīng)位置產(chǎn)生沿阻尼器徑向的磁場，從而控制磁性形狀記憶合金塊52的狀態(tài)。
[0048]不通電時，利用磁性形狀記憶合金的超彈性，在小位移的情況下，磁性形狀記憶合金塊52沒有發(fā)生馬氏體重定向，阻尼器僅給結(jié)構(gòu)提供剛度，剛度由磁性形狀記憶單元5與彈簧7串聯(lián)得到；在大位移的情況下，磁性形狀記憶合金塊52發(fā)生了馬氏體重定向，剛度極大降低，開始發(fā)生超彈性的滯回現(xiàn)象，通過金屬內(nèi)耗提供阻尼耗能;振動結(jié)束后，由于磁性形狀記憶合金塊52的超彈性效應(yīng)，能夠恢復(fù)初始狀態(tài)，從而使阻尼器復(fù)位。
[0049]少量能源通電時，利用不同少量磁場下，磁性形狀記憶合金塊52的超彈性相變起始應(yīng)力(類似一般鋼材的屈服應(yīng)力)的改變，進入半主動的控制狀態(tài)。在結(jié)構(gòu)振動時，根據(jù)計算所需最優(yōu)屈服力，通電改變磁性形狀記憶合金塊52的相變起始應(yīng)力，調(diào)節(jié)阻尼器的屈服力大小，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的半主動控制；振動結(jié)束后，由于磁性形狀記憶合金塊52的超彈性效應(yīng)，能夠恢復(fù)初始狀態(tài)，從而使阻尼器復(fù)位。
[0050]足量能源通電時，利用足量磁場下，磁性形狀記憶合金塊52的磁性形狀記憶效應(yīng)，進入自復(fù)位的主動控制狀態(tài);結(jié)構(gòu)振動時，根據(jù)控制計算所需的電源，通電實時改變磁性形狀記憶單元中磁性形狀記憶合金塊52的狀態(tài)，拉壓導(dǎo)向活塞6，從而通過與導(dǎo)向活塞6相連的芯桿2，輸出阻尼力，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的主動控制;振動結(jié)束后，利用磁性形狀記憶合金塊52的磁性形狀記憶效應(yīng)，通電使結(jié)構(gòu)復(fù)位。
[0051]以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器，其特征在于，包括缸筒(4)，所述缸筒(4)的一端開口處設(shè)有導(dǎo)向螺母(3)，另一端開口處設(shè)有封閉螺母(8)，在缸筒(4)內(nèi)部設(shè)有芯桿(2)，所述芯桿(2)的一端活動地穿過導(dǎo)向螺母(3)并露出于缸筒(4) 一部分，芯桿(2)露出于缸筒(4)的部分與第一連接法蘭(I)相連接，所述芯桿(2)的另一端與缸筒(4)內(nèi)的一導(dǎo)向活塞(6)相連接，在沿芯桿(2)周邊布置多個磁性形狀記憶單元(5)，所述磁性形狀記憶單元(5)兩端分別與導(dǎo)向螺母(3)和導(dǎo)向活塞(6)相連，所述導(dǎo)向活塞(6)和封閉螺母(8)之間設(shè)有彈簧(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器，其特征在于，所述磁性形狀記憶單元(5)由兩個端部支架(51)、多個磁性形狀記憶合金塊(52)和多個中間支架(53)組成，所述的兩個端部支架(51)分別與導(dǎo)向螺母(3)和導(dǎo)向活塞(6)固接，所述中間支架(53)設(shè)置于兩個端部支架(51)之間，所述磁性形狀記憶合金塊(52)固接于中間支架(53)之間以及中間支架(53)與端部支架(51)之間。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器，其特征在于，所述中間支架(53)滑動地設(shè)置于缸筒(4)內(nèi)側(cè)的一槽道(41)內(nèi)，所述中間支架(53)和端部支架(51)具有的剛度以使變形發(fā)生在磁性形狀記憶合金塊(52)處為宜。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器，其特征在于，所述磁性形狀記憶合金塊(52)采用Ni2MnGa、Ni2FeGa磁性形狀記憶合金、復(fù)合材料中的一種或多種，形成磁性形狀記憶合金塊(52)的超彈性效應(yīng)和磁致形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生被動超彈性、半主動變阻尼和主動控制的多種控制模式。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器，其特征在于，所述芯桿(2)由導(dǎo)桿(21)、線圈(22)和導(dǎo)磁側(cè)翼(23)組成，所述線圈(22)引出的導(dǎo)線通過芯桿(2)引致缸筒(4)外。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的拉壓型磁性形狀記憶合金多模式智能阻尼器，其特征在于，所述芯桿(2)導(dǎo)出的導(dǎo)線連接電源，用于提供線圈(22)產(chǎn)生沿缸筒(4)徑向的磁場所需能源。
【文檔編號】E04B1/98GK205712545SQ201620181566
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年3月10日
【發(fā)明人】陳鑫, 毛小勇, 李愛群, 高曉瑩
【申請人】蘇州科技學(xué)院