一种箱型SMA-压电变摩擦复合型阻尼器的制作方法

本实用新型属于土木工程结构振动半控制领域，涉及一种箱型SMA-压电变摩擦复合型阻尼器。

背景技术：

压电材料具有压电效应，即当压电材料受到机械变形时有产生电势的能力，称为正压电效应，利用该效应，可制作各种传感器；当对其施加电压时，压电材料产生变形，称为逆压电效应，利用压电材料的逆压电效应，可制作压电摩擦阻尼器，将压电陶瓷驱动器用于调节摩擦板间的接触压力(正压力)，以显著提高阻尼器的耗能减振能力。

然而在压电摩擦阻尼器的设计过程中，但为了使压电陶瓷驱动器的变形更好低被约束，往往需要施加一个较大的初始接触正压力，从而使得初始摩擦力过大，阻尼器启动困难，耗能能力变低，同时可调阻尼力变的很小，且通常会出现残余位移。

形状记忆合金是一种新型的智能材料，因其独特的形状记忆、超弹性、高阻尼和电阻特性，在生物医学、机械电子和航空航天等领域得到大量应用。在土木工程领域，利用SMA的超弹性及其滞回耗能特性可以研制出适用于工程结构减震的被动耗能阻尼器，然而单单利用其超弹性及滞回性能却难以开发出应用于结构振动半主动控制的阻尼器。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种箱型SMA-压电变摩擦复合型阻尼器，该阻尼器具有高耗能及自复位功能，并能够作为半主动阻尼器。

为达到上述目的，本实用新型所述的箱型SMA-压电变摩擦复合型阻尼器包括外箱体、第一拉压杆、第二拉压杆及带有压电陶瓷驱动器的滑块；

外箱体由左侧壁板、右侧壁板、前侧壁板、后侧壁板及下摩擦底板构成，其中，外箱体内由左到右依次设置有左挡板、左顶板、滑块、右顶板及右挡板，滑块的左侧及右侧分别设置有左顶环及右顶环，第一拉压杆的一端位于左侧壁板外，第一拉压杆的另一端依次穿过左侧壁板、左挡板、左顶板、左顶环、滑块及右顶环后与右顶板固定连接，其中，第一拉压杆与左顶板、左顶环及右顶环固定连接，第一拉压杆与左侧壁板及左挡板之间滑动接触，第二拉压杆的端部与左侧壁板相连接；

左顶板与左侧壁板之间通过若干第一SMA丝相连接，左挡板与右挡板之间通过若干第二SMA丝相连接，右顶板与右侧壁板之间通过若干第三SMA丝相连接，初始状态下，左顶板与左挡板相接触，右顶板与右挡板相接触。

外箱体的顶部开口处设置有上摩擦盖板，其中，上摩擦盖板上设置有用于调节上摩擦盖板预压力的内六角螺栓。

前侧壁板上及后侧壁板上均设置有第一横向滑槽及第二横向滑槽，左挡板的端部位于所述第一横向滑槽内，右挡板的端部位于所述第二横向滑槽内。

还包括外部电源，滑块上开设有若干上下贯通的通孔，其中，各通孔内均设置有压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的上下两端均设置有摩擦垫片，压电陶瓷驱动器上端的摩擦垫片与上摩擦盖板相接触，压电陶瓷驱动器下端的摩擦垫片与下摩擦底板相接触，压电陶瓷驱动器与外部电源之间通过导线相连接。

通孔的侧壁上开设有第一导线通孔，外箱体的侧壁上开设有第二导线通孔，导线穿过第一导线通孔及第二导线通孔。

滑块与左顶板之间的距离与滑块与右顶板之间的距离相同。

左侧壁板上设置有第一螺栓紧固孔及用于供第一拉压杆穿过的第一拉压杆通孔，左挡板上设置有第一SMA丝通孔、第二螺栓紧固孔及用于供第一拉压杆穿过的第二拉压杆通孔，左顶板上设置有第一螺栓通孔、第二SMA丝通孔及用于供第一拉压杆穿过的第三拉压杆通孔；滑块上设置有第三SMA丝通孔及用于供第一拉压杆穿过的第四拉压杆通孔；右顶板上设置有第二螺栓通孔及第四SMA丝通孔；右挡板上设置有第三螺栓紧固孔及第五SMA丝通孔；右侧壁板上设置有第四螺栓紧固孔；

第一SMA丝的左端穿过第一螺栓紧固孔后通过第一通孔螺栓固定于左侧壁板上，第一SMA丝的右端穿过第一SMA丝通孔及第二SMA丝通孔后通过第一夹具固定于左顶板上；

第二SMA丝的左端穿过第一螺栓通孔及第二螺栓紧固孔后通过第二通孔螺栓固定于左挡板上，第二SMA丝的右端穿过第三SMA丝通孔、第二螺栓通孔及第三螺栓紧固孔后通过第三通孔螺栓固定于右挡板上；

第三SMA丝的左端穿过第五SMA丝通孔及第四SMA丝通孔后通过第二夹具固定于右顶板上，第三SMA丝的右端穿过第四螺栓紧固孔后通过第四通孔螺栓固定于右侧壁板上。

第一通孔螺栓、第二通孔螺栓、第三通孔螺栓及第四通孔螺栓均为沿轴线开设中心孔的带帽螺栓。

第一SMA丝、第二SMA丝及第三SMA丝为材质相同、直径相同的奥氏体镍钛SMA丝。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所述的箱型SMA-压电变摩擦复合型阻尼器再具体工作时，当第一拉压杆受压时，第一拉压杆带动左顶板、右顶板及滑块共同向右运动，同时右顶板推动右挡板沿第二横向滑槽向右运动，从而使得滑块产生外部可控的摩擦阻力，同时第一SMA丝及第二SMA丝拉伸，以实现耗能，第一拉压杆受拉时原理基本类似，当第二拉压杆受压时，第二拉压杆带动外箱体，外箱体推动左挡板、右挡板、右顶板及滑块向左运动，从而使得滑块产生外部可控摩擦阻力，同时第二SMA丝及第三SMA丝拉伸，以实现耗能，第二拉压杆受拉时原理基本类似。当第一拉压杆及第二拉压杆同时受拉时，第一拉压杆带动左顶板、右顶板及滑块共同向右运动，左顶板推动左挡板向右运动，第二拉压杆带动外箱体推动右挡板向左运动，从而使得滑块产生外部可控摩擦阻力，其中，第一SMA丝、第二SMA丝及第三SMA丝同时拉伸，以实现耗能，第一拉压杆及第二拉压杆受压时，原理基本类似。另外，当外部受力消除后，通过第一SMA丝、第二SMA丝及第三SMA丝的复位实现整个阻尼器的复位，结构简单，操作方便，具有高耗能及复位的特点。

附图说明

图1为本实用新型的平剖面图；

图2为本实用新型的纵剖面图；

图3为奔赴米忙的侧立面图；

图4a为本实用新型中左侧壁板101的结构示意图；

图4b为本实用新型中右侧壁板102的结构示意图；

图5a为左挡板6的结构示意图；

图5b为本实用新型中右挡板7的结构示意图；

图6a为本实用新型中左顶板8的结构示意图；

图6b为本实用新型中右顶板9的结构示意图；

图7为本实用新型中前侧壁板103的结构示意图；

图8为本实用新型中滑块2的侧面图；

图9为本实用新型中第一通孔螺栓15的结构示意图；

图10为本实用新型中第一通孔螺栓15与第一SMA丝12的连接关系图。

其中，1为外箱体、2为滑块、3为压电陶瓷驱动器、4为第一拉压杆、5为第二拉压杆、6为左挡板、7为右挡板、8为左顶板、9为右顶板、10为左顶环、11为右顶环、12为第一SMA丝、13为第二SMA丝、14为第三SMA丝、15为第一通孔螺栓、16为通孔、17为第一夹具、18为第一导线通孔、19为第二导线通孔、20为第一横向滑槽、21为第二横向滑槽、22为内六角螺栓、23为第一拉压杆通孔、24为第一螺栓紧固孔、25为第二拉压杆通孔、26为第二螺栓紧固孔、27为第一SMA丝通孔、28为第三拉压杆通孔、29为第一螺栓通孔、30为第二SMA丝通孔、31为第四拉压杆通孔、32为第三SMA丝通孔、33为第二螺栓通孔、34为第四SMA丝通孔、35为第三螺栓紧固孔、36为第五SMA丝通孔、37为第四螺栓紧固孔、101为左侧壁板、102为右侧壁板、103为前侧壁板、104为后侧壁板、105为下摩擦底板、106为上摩擦盖板、107为摩擦垫片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

如图1至图10所示，本实用新型所述的箱型SMA-压电变摩擦复合型阻尼器包括外箱体1、第一拉压杆4、第二拉压杆5及带有压电陶瓷驱动器3的滑块2；外箱体1由左侧壁板101、右侧壁板102、前侧壁板103、后侧壁板104及下摩擦底板105构成，其中，外箱体1内由左到右依次设置有左挡板6、左顶板8、滑块2、右顶板9及右挡板7，滑块2的左侧及右侧分别设置有左顶环10及右顶环11，第一拉压杆4的一端位于左侧壁板101外，第一拉压杆4的另一端依次穿过左侧壁板101、左挡板6、左顶板8、左顶环10、滑块2及右顶环11后与右顶板9固定连接，其中，第一拉压杆4与左顶板8、左顶环10及右顶环11固定连接，第一拉压杆4与左侧壁板101及左挡板6之间滑动接触，第二拉压杆5的端部与左侧壁板101相连接；左顶板8与左侧壁板101之间通过若干第一SMA丝12相连接，左挡板6与右挡板7之间通过若干第二SMA丝13相连接，右顶板9与右侧壁板102之间通过若干第三SMA丝14相连接，初始状态下，左顶板8与左挡板6相接触，右顶板9与右挡板7相接触，其中，外箱体1的顶部开口处设置有上摩擦盖板106，其中，上摩擦盖板106上设置有用于调节上摩擦盖板106预压力的内六角螺栓22；滑块2与左顶板8之间的距离与滑块2与右顶板9之间的距离相同。

前侧壁板103上及后侧壁板104上均设置有第一横向滑槽20及第二横向滑槽21，左挡板6的端部位于所述第一横向滑槽20内，右挡板7的端部位于所述第二横向滑槽21内。

本实用新型还包括外部电源，滑块2上开设有若干上下贯通的通孔16，其中，各通孔16内均设置有压电陶瓷驱动器3，压电陶瓷驱动器3的上下两端均设置有摩擦垫片107，压电陶瓷驱动器3上端的摩擦垫片107与上摩擦盖板106相接触，压电陶瓷驱动器3下端的摩擦垫片107与下摩擦底板105相接触，压电陶瓷驱动器3与外部电源之间通过导线相连接，其中，通孔16的侧壁上开设有第一导线通孔18，外箱体1的侧壁上开设有第二导线通孔19，导线穿过第一导线通孔18及第二导线通孔19。

左侧壁板101上设置有第一螺栓紧固孔24及用于供第一拉压杆4穿过的第一拉压杆通孔23，左挡板6上设置有第一SMA丝通孔27、第二螺栓紧固孔26及用于供第一拉压杆4穿过的第二拉压杆通孔25，左顶板8上设置有第一螺栓通孔29、第二SMA丝通孔30及用于供第一拉压杆4穿过的第三拉压杆通孔28；滑块2上设置有第三SMA丝通孔32及用于供第一拉压杆4穿过的第四拉压杆通孔31；右顶板9上设置有第二螺栓通孔33及第四SMA丝通孔34；右挡板7上设置有第三螺栓紧固孔35及第五SMA丝通孔36；右侧壁板102上设置有第四螺栓紧固孔37；第一SMA丝12的左端穿过第一螺栓紧固孔24后通过第一通孔螺栓15固定于左侧壁板101上，第一SMA丝12的右端穿过第一SMA丝通孔27及第二SMA丝通孔30后通过第一夹具17固定于左顶板8上；第二SMA丝13的左端穿过第一螺栓通孔29及第二螺栓紧固孔26后通过第二通孔螺栓固定于左挡板6上，第二SMA丝13的右端穿过第三SMA丝通孔32、第二螺栓通孔33及第三螺栓紧固孔35后通过第三通孔螺栓固定于右挡板7上；第三SMA丝14的左端穿过第五SMA丝通孔36及第四SMA丝通孔34后通过第二夹具固定于右顶板9上，第三SMA丝14的右端穿过第四螺栓紧固孔37后通过第四通孔螺栓固定于右侧壁板102上。

第一通孔螺栓15、第二通孔螺栓、第三通孔螺栓及第四通孔螺栓均为沿轴线开设中心孔的带帽螺栓；第一SMA丝12、第二SMA丝13及第三SMA丝14为材质相同、直径相同的奥氏体镍钛SMA丝。

在具体使用时，可通过人字型支撑、十字支撑或斜支撑将阻尼器连接到建筑结构中，或者在一些拉索减震装置中与拉索相连形成半主动拉索控制系统，也可以在一些隔震支座中使用形成复合隔震智能支座。在阻尼器组装时根据实际要求调节通孔螺栓的预紧程度，从而将第一SMA丝12、第二SMA丝13及第三SMA丝14的初始应变调节为最佳值。在阻尼器的使用过程中，当第一拉压杆4受压时，第一拉压杆4带动左顶板8、右顶板9及滑块2共同向右运动，同时右顶板9推动右挡板7沿第二横向滑槽21向右运动，从而使得滑块2产生外部可控摩擦阻力，第一SMA丝12及第二SMA丝13拉伸，第三SMA丝14回复；当第二拉压杆5受压时，第二拉压杆5带动外箱体1，外箱体1推动左挡板6，左挡板6带动右挡板7，进而带动右顶板9及滑块2向左运动，从而使得滑块2产生外部可控摩擦阻力，第二SMA丝13及第三SMA丝14拉伸；

当第一拉压杆4受拉时，第一拉压杆4带动左顶板8、右顶板9和滑块2共同向左运动，同时左顶板8推动左挡板6沿第一横向滑槽20向左运动，从而使得滑块2产生外部可控摩擦阻力，第三SMA丝14和第二SMA丝13拉伸，第一SMA丝12回复；第二拉压杆5受拉时，第二拉压杆5带动外箱体1，外箱体1推动右挡板7，右挡板7带动左挡板6，进而带动左顶板8及滑块2向右运动，从而使得滑块2产生外部可控摩擦阻力，第二SMA丝13及第一SMA丝12拉伸。

当第一拉压杆4及第二拉压杆5同时受拉时，第一拉压杆4带动左顶板8、右顶板9及滑块2共同向右运动，左顶板8推动左挡板6向右运动，第二拉压杆5带动外箱体1，外箱体1推动右挡板7向左运动，从而使得滑块2产生外部可控摩擦阻力，第一SMA丝12、第二SMA丝13及第三SMA丝14同时拉伸；第一拉压杆4及第二拉压杆5同时受压时，第一拉压杆4带动左顶板8、右顶板9及滑块2共同向左运动，右顶板9推动右挡板7向左运动，第二拉压杆5带动外箱体1，外箱体1推动左挡板6向右运动，从而使得滑块2产生外部可控摩擦阻力，第一SMA丝12及第二SMA丝13拉伸，第三SMA丝14回复。

当通电时，通过改变外部电压来改变压电陶瓷驱动器3的出力，从而改变摩擦垫片107与下摩擦底板105及上摩擦盖板106之间的接触正压力，进而改变摩擦阻尼力；在实际操作时，通过单片机嵌入半主动控制算法可以实现对摩擦阻尼力的主动控制，再加上奥氏体SMA丝的耗能即复位功能，使得整个阻尼器可以作为一个半主动阻尼器来使用。

当断电时，压电陶瓷驱动器3不能正常工作，摩擦阻尼力为初始摩擦阻尼力，无法主动调控，而阻尼器中的各SMA丝可以正常的耗能及复位，整个阻尼器可以作为一个复合型被动耗能阻尼器来使用。

本实用新型综合使用压电陶瓷及形状记忆合金两种智能材料，减震效果更好，性能更加稳定，适应性更强，能够更好地应用于结构振动控制领域。通过设置第一拉压杆4及第二拉压杆5，使得本实用新型可以容易的实现与外部构件装置的连接，安装方便，适用范围更广，有效解决了奥氏体SMA丝的紧固问题。

第一通孔螺栓15、第二通孔螺栓、第三通孔螺栓及第四通孔螺栓均为沿轴线开设中心孔的带帽螺栓，对应的SMA丝穿过所述中心孔后缠绕在螺纹上，在实际操作时，通过调节各SMA丝缠绕的位置，以调节各SMA丝的预紧程度。

以上所述的具体实施实例仅仅是对本专利的式例性说明，并非对本专利的范围进行限定，在不脱离本专利设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本专利技术方案做出的各种变形和改进，均落入本专利权利要求数确定的保护范围内。