文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１５)１３Ｇ１３００７Ｇ０７
超弹性T i N i记忆合金螺旋弹簧的滞回性能实验研究∗ 庄㊀鹏１,２，薛素铎３，刘雨冬１,２，韩㊀淼１,２
(１．北京建筑大学土木与交通工程学院，北京１０００４４;
２．北京建筑大学 工程结构与新材料 北京高等学校工程研究中心，北京１０００４４;
３．北京工业大学建筑工程学院，北京１００１２４)
摘㊀要:㊀通过滞回性能实验研究了大尺寸T i N i形状记忆合金(T i N i S MA)螺旋弹簧用于结构振动控制的可行性.利用两种T i N i合金制作了大尺寸超弹性螺旋弹簧试件.对T i N i弹簧试件进行了单轴反复荷载作用下的力学实验，获得了其在不同加载条件下的恢复力Ｇ位移曲线.分析了不同循环加卸载次数㊁加载频率㊁位移幅值对两种T i N i弹簧的滞回环及等效刚度㊁单位循环耗能㊁等效阻尼比和残余位移４个力学参数的影响.研究结果表明，超弹性T i N i弹簧可提供较大的恢复力㊁位移以及稳定的复位性能，并具有一定的耗能能力，在工程结构自复位振动控制中具有较好的应用潜力较好. 关键词:㊀形状记忆合金；螺旋弹簧；超弹性；滞回性能；力学实验
中图分类号:㊀T G１３９＋．６;T U３５２．１文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１５．１３．００２
１㊀引㊀言
形状记忆合金(s h a p em e m o r y a l l o y，简称S MA)是一种新型功能材料，它具有独特的形状记忆效应和超弹性特性[１]，其超弹性效应可用于工程结构的抗震与减振控制研究.G r a e s s e r等[２]于２０世纪９０年代首先提出了将S MA丝用于工程结构隔震耗能的思想.随后，国内外学者提出了多种含有S MA丝的隔震器和阻尼器[３Ｇ１１].近年来，随着材料加工技术的发展，大尺寸S MA逐渐被引入到结构减振控制的研究中[１２Ｇ１６].从目前的研究成果来看，已有的S MA控振装置主要采用S MA丝材或棒材.此外，由S MA制作的超弹性螺旋弹簧亦可用于结构振动控制:L i a n g 等[１７]建立了S MA螺旋弹簧的力学模型，总结了S MA 螺旋弹簧在振动控制领域的用途;S p e i c h e r等[１８]利用S MA螺旋弹簧研制了拉压型阻尼器并进行了阻尼器的力学性能实验研究;A t t a n a s i等[１９]采用S MA丝制作了螺旋弹簧，对其力学性能进行了实验研究和有限元模拟；黄斌等[２０]通过力学实验研究了S MA丝螺旋弹簧在小型钢框架基础隔震系统中的适用性.上述研究表明,S MA螺旋弹簧能够输出较大的位移行程，且具有一定的耗能能力，对于结构的自复位控制具有较好的效果.
尽管S MA螺旋弹簧在工程结构被动控制领域中的应用研究获得了一些进展，但是，适合工程结构减振
控制的大尺寸S MA螺旋弹簧滞回性能研究迄今为止开展得极少.为了系统研究大尺寸S MA螺旋弹簧的超弹性滞回行为，本文选取了具有两种原子比的国产T i N i记忆合金材料，制成簧杆直径为１２mm的超弹性螺旋弹簧，对其进行了多工况的单轴拉压循环力学性能实验，研究了T i N i弹簧的滞回特性，分析了循环加载次数㊁加载频率㊁位移幅值对其性能的影响.本文的研究可为大尺寸S MA螺旋弹簧阻尼器的研制与工程应用提供参考.
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２㊀实㊀验
２．１㊀S MA螺旋弹簧试件
实验采用两种T i N i记忆合金，分别命名为材料A 和材料B，其中，材料A的化学成分为N i５０．８,T i４９．２(原子分数,％)，材料B的化学成分为N i５１．０,T i４９．０(原子分数,％).对应于材料A和材料B的奥氏体相变结束温度A f分别为－１２．３和－２６．０ħ，故在室温下两种T i N i合金的初始状态均为奥氏体状态.
利用上述T i N i合金材料制成具有相同尺寸的螺旋弹簧，如图１所示.
图１㊀T i N i弹簧尺寸(单位:mm)
F i g１D i m e n s i o n s o fT i N i s p r i n g s(u n i t s i nmm)㊀㊀加工弹簧时，首先将T i N i合金置于
车床上通过火焰加热并绕制定型，进而，对T i N i弹簧进行表面处理和真空热处理，以获得光亮的表面和良好的超弹性.此外，为方便固定,T i N i弹簧试件的两端均留出一定
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庄㊀鹏等：超弹性T i N i记忆合金螺旋弹簧的滞回性能实验研究
∗基金项目：北京市自然科学基金资助项目(８１３２０２４)；北京市优秀人才培养资助项目(２０１１D００５０１７０００００６)
收到初稿日期:２０１４Ｇ１１Ｇ０６收到修改稿日期:２０１５Ｇ０３Ｇ２０通讯作者：薛素铎,EＧm a i l:s d x u e＠b j u t．e d u．c n 作者简介：庄㊀鹏㊀(１９７６－)，男，北京人，博士，讲师，师承薛素铎教授，从事大跨度空间结构抗震及结构振动控制研究.
长度的拉直部分.上述采用材料A ㊁材料B 的T i N i 螺旋弹簧试件分别命名为弹簧A ㊁弹簧B ，两种弹簧各加工３个试件，共计６个.
２．２㊀实验装置与实验工况
T i N i 弹簧滞回性能实验采用S A N S 微机控制电子万能试验机，力和位移分别由试验机自带的力传
感器和位移传感器测量.实验中加卸载过程由计算机位移控制，采用三角波等频率加卸载，测试结果由计算机自动采集.安装于实验装置中的T i N i 弹簧如图２所示.
㊀㊀㊀
图２㊀安装于实验装置中的T i N i 弹簧
F i g ２T i N i s p r i n g i ne x p e r i m e n t a l a p p
a r a t u s ㊀㊀在室温状态下，对两种T i N i 弹簧(共６个试件)进行单轴拉压循环力学实验，研究其恢复力特性㊁耗能水平以及复位能力，并考察循环加卸载循环次数㊁加载频率及位移幅值对两种弹簧超弹性滞回性能的影响规律，研究中所开展的具体实验工况为:(１)在１６mm
发热涂料位移幅值下将两种T i N i 弹簧拉压循环各５０次，加载频率为０．１H z ;(２)加载频率分别取０．００５,０．０５,０．１５
和０．２５H z ，位移幅值为１６mm ;(３)位移幅值分别取
大锅抗干扰１２,２０,２８和３６mm ，加载频率为０．１H z
.２．３㊀力学参数
为了对比分析各种实验工况下两种T i N i 弹簧的滞回性能，本文采用如下的力学参数[
１０]
.等效刚度K e q
K e q ＝
F m a x －F m i n
D m a x －D m i n
(１)㊀㊀式中,F m a x 和F m i n 分别为单次加卸载中的最大输出力,D m a x 和D m i n 分别为单次加卸载中的最大输出位移和最小输出位移.
单位循环所消耗的能量W d ，即恢复力Ｇ位移滞回曲线包围的面积，表示T i N i 弹簧的耗能能力.
等效阻尼比ζe q
ζe q ＝W d
２πK e q
D ２
m a x (２)㊀㊀残余位移：卸载为０时T i N i 弹簧的位移,
表示其自复位能力.
３㊀结果与分析
３．１㊀循环次数的影响
对弹簧A (试件编号:A Ｇ１㊁A Ｇ２㊁A Ｇ３)和弹簧B (试件编号:B Ｇ１㊁B Ｇ２㊁B Ｇ３)分别进行连续５０次循环加卸载
实验.实验中，位移幅值为１６mm ，加载频率为０．１H z .提取两种弹簧第１,３０,４０和５０次加卸载恢复力Ｇ
位移曲线如图３所示.图３㊀不同循环次数下T i N i 弹簧的恢复力Ｇ
位移曲线F i g ３R e s t o r i n g f o r c e Ｇd i s p l a c e m e n t c u r v e s o fT i N i s p r i n g s u n d e r d i f f e r e n t c y
c l i c n u m b e r ㊀㊀由图３可见，多次循环加卸载时，两种T i N i 弹簧的恢复力Ｇ
位移曲线在正向加卸载阶段和反向加卸载阶段均呈光滑而闭合的梭形；随着循环加卸载次数的
增加，两种弹簧的恢复力Ｇ位移曲线较初始的恢复力Ｇ位移曲线有所偏移，其滞回环包围的面积有所减小，但随着实验次数的增加，弹簧的恢复力Ｇ
位移曲线逐渐趋８
００３１２０１５年第１３期(４６
)卷
于重合，达到一种较为稳定的状态.
对两种T i N i 弹簧的力学参数进行统计分析,节能装置
采用M a t l a b 统计工具箱计算各个循环次数下T i N i 弹簧力学参数的均值和标准差.考察５种循环次数(第１, １０,２０,３０,４０和５０次循环)下T i N i 弹簧力学参数的标准差与均值之比的最大值，如表１所示.根据计算结果可知，两种T i N i 弹簧力学参数标准差所占对应均值的比例很小，绝大部分在５％以下，因此，可采用力学参数的均值来分析不同循环次数下T i N i 弹簧滞回性能的变化规律.
表１㊀不同循环次数下力学参数标准差与均值之比的
最大值
T a b l e １M a x i m u mv a l u e s o f t h e r a t i ob e t w e e ns t a n d Ｇ
a r d d e v i a t i o n a n d a r i t h m e t i c m e a n o f m e Ｇ
c h a n i c a l p a r a m e t e r s u n
d
e r d i
f f e r e n t c y c l i c n u m b e r s
弹簧种类等效刚度/％
单位循环耗能/％
等效阻尼比/％
残余位移
/％
弹簧A
２．２２
２．４８３．１０
５．１４
弹簧B
２．１３１．６２１．２４１．２８㊀㊀第１,１０,２０,３０,４０和５０次循环加卸载时T i N i 弹
簧力学参数均值分布情况如图４所示.由图４可见，在前３０次循环加卸载过程中,
弹簧A 与B 的等效刚度均值有小幅度上升，其中，弹簧A 的等效刚度均值由０．２７２k N /mm 增至０．３０２k N /mm ，提高了１１．０３％,
弹簧B 的等效刚度均值由０．２７３k N /mm 增至
０．３０４k N /mm ，提高了１１．３６％，循环加卸载次数超过３０次后,
弹簧A 和B 等效刚度均值的变化明显趋缓；随着循环加卸载次数的增加，两种弹簧的单位循环耗
能均有所减少，其减少量主要发生在前３０次循环加卸载过程中，其后的变化幅度较小，在稳定时弹簧A 和弹簧B 的单位循环耗能均值分别为２１．２８和２４．８３k N mm ;
弹簧A 和B 的等效阻尼比均值随着循环加卸载次数的增加而有所降低，循环３０次后两种弹簧的等效阻尼比均值趋于稳定，其值在第５０次循环时分别为４．３９％和５．０７％，较首次循环分别降低了２５．７２％和１９．１４％;
随着循环加卸载次数的增加，两种弹簧的残余位移均值有所增加，其变化量主要发生在前４０次循环加卸载过程中，第４０次循环后两种弹簧的残余位移均值变化较小，第５０次循环时弹簧A 和B 的残余位移均值分别为０．２１和０．２３mm ，占其位移幅值的１．３１％和１．４４％.
图４㊀T i N i 弹簧力学参数均值随循环次数的变化
F i g ４V a r i a t i o no f a r i t h m e t i cm e a no fm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o fT i N i s p r i n g sw i t hc y
c l i c n u m b e r ３．２㊀加载频率的影响两种T i N i 弹簧在不同加载频率下的恢复力Ｇ位移曲线如图５所示.加载频率分别为０．００５,０．０５,０．１５和０．２５H z ，位移幅值为１６mm .实验前,６个试件均在位移幅值为１６mm ㊁加载频率为０．１H z 的条件下循环加载训练５０次.
由图５可见，在不同加载频率条件下，两种T i N i 弹簧均能够在正向加卸载区间和反向加卸载区间提供了近似对称的梭形恢复力Ｇ
位移曲线；随着加载频率的增加，弹簧A 和B 的恢复力Ｇ
位移曲线不完全重合，两种弹簧的滞回环均向斜上方(坐标系的第一象限)和斜下方发展(坐标系的第三象限)
.使用M a t l a b 统计工具箱计算各个加载频率下两
种T i N i 合金弹簧力学参数的均值和标准差.考察４种加载频率作用时每种弹簧力学参数的标准差与均值之比的最大值，如表２所示.由上述计算结果可见，两种T i N i 螺旋弹簧力学参数标准差所占其对应均值的比例均在５％以下，弹簧A 和B 多个试件实验结果的
９
００３１庄㊀鹏等：超弹性T i N i 记忆合金螺旋弹簧的滞回性能实验研究
dic系统离散性较小.因此，下文采用力学参数的均值来分析
不同加载频率下T i N i 弹簧滞回性能的变化规律.
图５㊀不同加载频率下T i N i 弹簧的恢复力Ｇ
位移曲线F i g ５R e s t o r i n g f o r c e Ｇd i s p l a c e m e n t c u r v e s o fT i N i s p r i n g s u n d e r d i f f e r e n t l o a d i n g f r e q u e n c y
表２㊀不同加载频率下力学参数标准差与均值之比的最大值T a b l e ２M a x i m u mv a l u e s o f t h e r a t i ob e t w e e ns t a n d Ｇa r d d e v i a t i o n a n d a r i t h m e t i c m e a n o f m e Ｇc h a n i c a l p a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n tl o a d i n g
f r e q
u e n c i e s 弹簧种类等效刚度/％
单位循环耗能/％
等效阻尼比/％
残余位移/％
椰油酸弹簧A
０．８８１．１４
１．１９
２．５４
弹簧B
０．７６１．１００．８４２．１６㊀㊀图６给出了两种T i N i 弹簧力学参数均值随加载
频率的变化曲线.由图６可见，随着加载频率的增加,
弹簧A 的等效刚度均值由加载频率为０．００５H z 时的
０．２９３k N /mm 增至加载频率为０．２５H z 时的
０．３１２k N /mm ，增加了６．４８％，而弹簧B 的等效刚度均值由加载频率为０．００５H z 时的０．２９２k N /mm 增至
加载频率为０．２５H z 时的０．３２８k N /mm ,
增加了１２．３３％.在加载频率为０．００５~０．２５H z 的区间内,
弹簧A 单位循环耗能均值的最大值为２１．３９k N mm ，其较最小值增加了３．３８％，而弹簧B 单位循环耗能的最大值为２７．２６k N mm ，其较最小值增加了１２．２７％.
图６㊀T i N i 弹簧力学参数均值随加载频率的变化
F i g ６V a r i a t i o no f a r i t h m e t i cm e a no fm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o fT i N i s p r i n g sw i t h l o a d i n g f r e q u e n c y
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１２０１５年第１３期(４６
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㊀㊀４种加载频率作用下，弹簧A 的等效阻尼比均值处于４．３９％~４．４７％之间，弹簧B 的等效阻尼比均值处于５．０５％~５．１７％之间；两种弹簧的残余位移均值随加载频率的增加而变化，在加载频率区间内两种弹簧的残余位移均值均在０．２~０．３mm 之间,
其中，弹簧A 残余位移均值的最大值较最小值增加了１９．１８％,
弹簧B 残余位移均值的最大值较最小值增加了２６．４７％.
３．３㊀位移幅值的影响
图７给出了两种T i N i 弹簧在不同位移幅值下的恢复力Ｇ位移曲线.位移幅值分别为１２,２０,２８和
３６mm ，加载频率为０．１H z .实验前,６个试件均在位移幅值为１６mm ㊁加载频率为０．１H z 的条件下循环加载训练５０次.
图７㊀不同位移幅值下T i N i 弹簧的恢复力Ｇ
位移曲线F i g ７R e s t o r i n g f o r c e Ｇd i s p l a c e m e n t c u r v e s o fT i N i s p r i n g s u n d e r d i f f e r e n t d i s p l a c e m e n t a m p
l i t u d e ㊀㊀由图７可见，弹簧A 和B 在正向加载和反向加载过程中均可提供光滑的梭形恢复力Ｇ
位移曲线，且二者的滞回曲线在正向加载和反向加载阶段基本对称，同时，两种弹簧在卸载后均几乎无残余变形；当位移幅值由１２mm 增至３６mm 时，弹簧A 的滞回曲线未出现明显的非线性强化；当位移幅值＜２０mm 时，弹簧B 的正向和反向加载曲线没有出现非线性强化，但是，当位移幅值区间为２８~３６mm 时,
弹簧B 部分试件正向和反向加载曲线的斜率增加，使得其滞回曲线出现了硬化趋势.
利用M a t l a b 统计工具箱计算各个位移幅值下两种T i N i 弹簧力学参数的均值和标准差.４种位移幅值下每种弹簧力学参数的标准差与均值之比的最大值如表３所示.
表３㊀不同位移幅值下力学参数标准差与均值之比的
最大值
T a b l e ３M a x i m u mv a l u e s o f t h e r a t i ob e t w e e ns t a n d Ｇ
a r d d e v i a t i o n a n d a r i t h m e t i c m e a n o f m e Ｇc h a n i c a l p a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n td i s p l a c e Ｇm e n t a m p
l i t u d e s 弹簧种类等效刚度/％
单位循环耗能/％
等效阻尼比/％
残余位移/％
弹簧A
１．１２１．９８
１．３２
３．０２
弹簧B
１．６６０．７２１．７０２．５２㊀㊀由表３结果可见，两种T i N i 弹簧力学参数标准差所占其对应均值的比例较小(低于５％)，故弹簧A 和
B 多个试件实验结果的离散性较小,
可采用力学参数的均值来考察位移幅值对T i N i 弹簧滞回性能的影响规律.
图８给出了两种T i N i 弹簧力学参数均值随位移
幅值的变化曲线.由图８可见，两种弹簧的等效刚度均值均随着位移幅值的增加而降低，如弹簧A 的等效刚度均值由位移幅值为１２mm 时０．３２５k N /mm 降至
位移幅值为３６mm 时的０．２１９k N /mm ,
减小了３２．６２％，相同条件下弹簧B 的等效刚度由０．３１７k N /m m
降至０．２２６k N /mm ，减小了２８．７１％；两种弹簧的单位循环耗能均值均随着位移幅值的增加而增大，当位移幅值由１２mm 增至３６mm 时，弹簧A 的单位循环耗能均值由１２．７０k N mm 增至１０９．９６k N mm ,
增加了７６５．８３％，弹簧B 的单位循环耗能均值由
１４．３６k N mm 增至１０６．７７k N mm ，增加了６４３．５３％;
两种弹簧的等效阻尼比均值随着位移幅值的增加而增大，在位移幅值在２８mm 时达到最大，弹簧A
和B 对应于该位移幅值的等效阻尼比均值分别为６．２４％和６．２０％，其后继续增大位移幅值，两种弹簧的等效阻尼比略微降低，位移幅值为３６mm 时弹簧A 和B 的等效阻尼比均值分别为６．１７％和５．８２％；两种１
１０３１庄㊀鹏等：超弹性T i N i 记忆合金螺旋弹簧的滞回性能实验研究
