SMA智能梁结构振动控制试验研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul．252015V01．36No．72251．2259ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．CRDOI：10．7527／$1000—6893．2014．0302SMA智能梁结构振动控制试验研究杨鑫，洪杰*，马艳红，张大义北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191摘要：形状记忆合金(SMA)材料凭借其弹性模量大幅度温变特性被成功应用于智能梁结构变刚度振动控制。根据变刚度控制原理

2、，制定合理的控制策略，成功降低了系统的稳态和瞬态振动响应。试验发现：所采用的Ti。。Ni。。Cu。三元记忆合金具有较高的热响应速率，在温度控制下相变前后弹性模量能够发生4倍以上变化；将记忆合金板安装于组合梁根部，能够显著调节结构的前3阶固有频率；通过对记忆合金进行变温操作，有效降低了系统共振状态的响应，并研究了变刚度速率对系统非线性特征和控制效果的影响；通过制定温度加载策略，成功实现了宽频段变频激励下智能梁瞬态振动响应的控制。研究结果表明，x,-Ji己忆合金进行温度控制可以有效改变结构的固有频率并影响振动特性，跨越共振区时进行变刚度操作所导致的非

3、线性特征能够有效分散主频振动能量，较快的刚度变化速率有助于振动响应的进一步降低。关键词：形状记忆合金；弹性模量；变刚度振动控制；非线性振动；试验研究中图分类号：V214．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)07—225l—09智能材料研究的一个重要内容就是实现结构的振动控制，依靠压电材料的能量转换作用Ⅲ、磁致伸缩材料的形变驱动力[z]和电／磁流变材料的变阻尼性能[31可以有效地实现结构振动响应的降低和能量的耗散。但由于压电材料驱动力较小，磁致伸缩材料变形幅值有限，电／磁流变材料承载能力较弱，这些智能材料在实际工程应用中还具有一

4、定的局限性。近年来兴起的形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy，SMA)材料为结构振动控制领域带来了新的思路和途径：①凭借奥氏体状态下SMA具有的超弹性阻尼特性，多种结构形式的阻尼器应运而生[4刮，将超弹性SMA丝与复合材料相结合形成具有优秀阻尼性能的新型复合材料逐渐成研究的热点[7吲；②马氏体状态下SMA具有形状记忆效应，变形受限时能够产生较大的恢复力，将SMA作为外部驱动器对结构进行驱动[91或将带有预塑性形变的SMA丝埋人层合结构[10‘11]，都可以实现结构固有特性的改变和振动响应的控制，Yuvaraja和Senthilkumar

5、[121进一步将SMA材料与压电材料联合应用，实现了结构振动的自适应控制；③在温度作用下，奥氏体状态下SMA材料的弹性模量一般可以达到马氏体状态下的4倍左右u3I，尤其对于一些形状记忆聚合物甚至可以达到上百倍的变化[1卜15]，Wang[16]和Wil—liams[173等利用这一特性开展了变刚度动力吸振器的研究，实现了对主体结构宽频段振动能量的有效吸收。大量研究表明，应用SMA材料独特的性能可以实现振动响应的有效控制，但目前大多数研收稿日期：2014．09．09；退修日期：2014-10-17；录用日期：2014-11-04；网络出版时间：20

6、14-11-0615：38网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／doi／10．7527／$1000-689320140302．htmI基金项目：国家自然科学基金(51105022，51475021)*通讯作者．Tel：010-82339012E-mail：hongjie@buaa．eduCB翻用播武IYangx．HongJ．MaYH。etaLTestinvestigationonvibrationcontrolofintelligentbeamwithshapememoryalloyfJ3．ActaAero—nauticaetAstron

7、auticaS加ica．2015．36(7)：2251-2259i杨鑫．洪杰．3艳红．等jSMA智能粱结构振动控钢实验研究￡J]．航空学报。2015．36(7)：2251-2259．航空学报究存在以下局限性：①由于一维SMA的本构模型发展较早[18。，理论和试验研究具有一定的便捷性，目前大多数研究仍以丝材为研究对象[4。15’1921]，很少涉及棒材、板材等大尺寸SMA结构的应用；②形变恢复力或大应变超弹性对结构振动特性产生作用的同时，会难以避免地影响结构强度和可靠性，在航空航天领域中大多数结构强度储备有限，不适宜对其施加额外的作用力和变形；③虽

8、然动力吸振器不会对主体结构产生不利影响，但并不是所有的结构部件都有条件安装。因此上述控制手段在工程应用中都存在一定的限制性，有必要在目前