形状记忆合金螺旋弹簧设计原理探究

形状记忆合金螺旋弹簧设计原理探究

赵治国

中山市中超电子有限公司广东省中山市528400

摘要：近年来，形状记忆合金螺旋弹簧在各个领域中得到了广泛应用，金白已禾生物医疗、航空航天、机械制造、土木建筑等。本文结合笔者的工作实践，就形状记忆合金螺旋弹簧在工程领域的应用进行了深入地分析，并提出了形状记忆合金螺旋弹簧的本构关系模型，以供设计人员参考。

关键词：形状记忆合金；弹簧；工程领域；本构关系模型

形状记忆合金是一种新型的智能材料，由于具有超弹性性能强、形状记忆性好，从而在各个领域应用较广泛。形状记忆效应是指形状记忆合金可以任意的变形，当其加温或者通电后，可以恢复到原始的形状；超弹性性能设置在一定温度范围内，当应力消失时材料可以不通过加热自动恢复到原始的状态。目前，国内外对形状记忆合金丝的研究较多，对于将其加工为形状记忆合金弹簧的研究较少，主要集中在SMA弹簧在工程中的应用和本构关系模型等方面。

1形状记忆合金螺旋弹簧在工程领域的应用

形状记忆合金材料是一种智能材料，目前已经以用于生物医疗、航空航天、机械制造、土木建筑的行业。其最引人注目的性质便是形状记忆效应和超弹性效应，二者都是因热弹性马氏体相变及其逆过程引起的。为了描述形状记忆合金材料的这两种性质，目前已经发展出了多种本构关系。材料本身的应力-应变关系是非线性的，又受到温度的影响，因此三者间存在较为复杂的非线性关系。在相同的荷载作用下，形状记忆合金螺旋弹簧与丝材的内部受力状态不尽相同，前者以切应力为主，而后者以正应力为主。镍钛合金是已发现的多种形状记忆合金中研究最深入、使用最广泛的一种。形状记忆合金弹簧在减震方面的研究集中在阻尼器和隔震支座的设计，很多学者进行了各种各样的研究，主要利用形状记忆合金弹簧的超弹性和形状记忆性能提供阻尼耗能以及形状记性的自复位能力，使结构在地震荷载下不被破坏。健康监测方面的研究主要是利用弹簧的形状记忆性能，使结构恢复到原始的受力状态，保证结构不被破坏。

刘雨冬等[1]提出了一种基于SMA弹簧的摩擦型支座。此支座依据Liang-Rogers本构模型，通过在支座内部设置环向八个SMA弹簧提供自复位的恢复力，在支座底部设置Teflon材料摩擦面实现耗能，并利用ABAQUS软件实现建模。研究表明，SMA弹簧摩擦型支座具有良好的自复位能力和耗能能力，能为支座提供可靠的刚度，其等效阻尼比可以达到0.3~0.45。

庄鹏等[2]设计了一种基于SMA弹簧的摩擦型隔震支座，并进行了隔震结构地震响应分析。他们首先依据SMA丝的本构关系通过分段线性化的方法，同时将SMA弹簧总恢复力划分成非线性弹性恢复力和滞回力两部分，建立了SMA弹簧的力—位移模型；然后计算了配备有20个此类支座的结构的动力响应，计算结果表明此类支座的加速度减震率可达到33.93%，上部结构在地震荷载下位移较小，得到了良好的控制，支座的滞回环比较饱满，有良好的耗能能力和自复位能力；最后将此支座与纯摩擦支座和摩擦摆支座进行了比较，结构体现了SMA弹簧—摩擦支座在位移峰值控制上和残余位移控制上的优势。

蔡锦荣等[3]针对摩擦型支座无法解决上拔力以及无法设置良好摩擦面的缺点，设计出了一种SMA弹簧—轴承滚动支座，通过设置轴承滚动板的方式防止支座的上拔影响。研究表明SMA弹簧支座的耗能能力明显优于钢弹簧支座，它能有效的抑制地震能向结构传递。

黄斌等[4]根据试验测得的SMA弹簧现象模型进行了SMA滑动支座的隔震试验与仿真分析，在考虑弹簧预拉伸的前提下，与普通钢弹簧隔震体系相比，新提出的SMA弹簧体系能很好的适应EL-centro波和Kobe波，试验和仿真结构都显示出SMA弹簧滑动支座良好的隔震性能。

李庆斌等[5]为避免实际工程中结构自振频率测量困难的问题，提出了一种基于SMA材料的TMD半主动控制。他们设两种SMA-TMD装置，其中一种通过改变电流的方式控制SMA弹簧的刚度以达到实时控制结构振动的目的。通过仿真分析，这种装置在风载和其他随机荷载下能很好的减小结构的振动，并且具有一定的自适应性。

2形状记忆合金螺旋弹簧的本构关系模型

本文介绍的模型以描述镍钛形状记忆合金材料的本构关系为主。目前广泛应用的弹簧本构模型多由简单的一维本构关系拓展而来，其中有的经过改进也提出了推广到三维的情况。起初的模型只能描述单轴拉压情况下的本构关系，而后又发展出综合考虑温度和马氏体百分含量的新模型。在众多形状记忆合金材料本构模型中，很重要的一类模型是唯象理论模型，它是基于假定一定的相变过程得到的。

李晋芳[6]使用这种模型给出SMA超弹性弹簧的有效设计方法。Ricardo进行了驱动器用弹簧的试验并应用Brison模型进行了数值计算，二者得到的结果基本吻合。Heidari基于Brison模型，同时认为相变过程在截面上从边缘到中心逐步发生，并按照相变发生程度，将弹簧丝截面划分为三种区域，以得到更加精确的结果。Yutaka也进行了基于Brison模型的进一步研究，将这种模型应用于弹簧并进行了有限元分析，二种方法的结果基本吻合。Enemark基于Lagoudas的模型，结合弹簧丝的弯扭状态，针对弹簧硬化和子循环进行了改进，同时他们的研究还表明尽管应力应变分布复杂，用弹簧丝截面上某一点代替全截面的受力状态可以满足一定精度的要求。还有一类典型的形状记忆合金本构关系模型被称为Fremond模型，这类模型的基本思想是将材料分为四种相态，每种相态设置一个百分含量表示，这种模型可以较好地描述形状记忆效应和超弹性效应。Ri-cardo和Alexandre将此模型应用在形状记忆合金弹簧上，并与准静态试验结果和有限元分析结果相比较，都得出了能描述形状记忆效应、超弹性效应的结论。

宋固全[7]等借用理想弹塑性模型描述具有上平台型一维本构的形状记忆合金其相变屈服和发展过程，同时引入相变体积分数来描述一个循环加载过程中的力变形系。陈安明[8]等按照温度降低产生过冷度而导致相变的驱动力和外应力而导致相变的应变能两者的效果相同的原理，建立起载荷、位移和温度三者之间基本关系，并在实验的基础上，经过多元线性回归处理，得出了镍钛形状记忆合金螺旋弹簧载荷、位移和温度三者之间关系的完整的数学表达式。这样一定程度上简化了推导过程，更多的依赖试验数据来获取参数。在更进一步的研究中，这种方法也用来设计形状记忆合金螺旋弹簧，结果也表明这种方法是适用和有效的。另外还有一种更直接依赖试验得到的力-位移关系数据，而简化对材料内部应力状态分析过程的现象本构关系模型。它直接依赖试验数据识别和建立弹簧的本构关系式，这种模型可以很好的识别和表述循环荷载下出现子循环现象。将其应用在隔震分析中，试验结果证明了该模型在动力分析中良好的适应性。

3结论

近年来，形状记忆合金材料在工业生产中的更广泛应用是目前的趋势。现今已有多种本构关系模型可供应用于形状记忆合金弹簧的设计与分析中，各种模型既有其各自在使用中考虑准确性和简洁性的优势，又有其应用范围和精度的限制，在使用时应综合考虑多种因素，选择合适的本构关系模型。

参考文献：

[1]刘雨冬.超弹性SMA支座及在网架结构中的隔震研究[D].北京：北京建筑大学，2015.

[2]庄鹏.超弹性TiNi记忆合金螺旋弹簧的滞回性能实验研究[J].功能材料，2015（13）：13007-13013.

[3]蔡锦荣，刘树堂.SMA弹簧—轴承滚动隔震输电塔的地震反应分析[J].广东土木与建筑，2009（5）：14-17.

[4]黄斌.基于超弹性SMA螺旋弹簧的基础隔震研究[J].地震工程与工程振动，2014（2）：209-215.

[5]孙万泉，李庆斌.基于形状记忆合金的TMD半主动控制[J].哈尔滨工业大学学报，2009（6）：164-168.

[6]李晋芳，任勇生.形状记忆合金超弹性弹簧的设计[J].太原理工大学学报，1999，30（4）：410-412.

[7]宋固全，徐玉红，吴晓钢.形状记忆合金弹簧力学性能分析[J].南昌大学学报（工科版），2005，27（2）：1-5.

[8]陈安明，钱学军.形状记忆合金螺旋弹簧的设计[J].机械设计与制造工程，1999，（1）：17-19.