Real-Time Hybrid Simulation of Shape Memory Alloy Dampers

形状记忆合金阻尼器的实时混合仿真

基本信息

项目摘要

Increasing economical and technical requirements make the design of earthquake resistant civil engineering structures with traditional construction materials impossible. Shape memory alloys (SMA) are metallic smart materials with unique characteristics. Without any residual elongation, SMAs can recover their original shape after mechanical stress induced large deformations with even over 7 % strain. This so-called superelastic behaviour make SMA an attractive alternative to the existing damper systems, which show significant technical limitations. Conventional anti-seismic devices such as metallic steel dampers, which need to be replaced after each strong seismic excitation because of the non-recoverable plastic deformation, count as a representative example.A broader application of the SMA based dampers require further research both on the numerical and experimental part. Until now, researchers identified inconsistent and partly different results regarding the change process of the energy dissipation capacity of the SMAs. On the experimental part, full-scale shaking table tests with SMA damper are missing. On the numerical part, the existing constitutive models need to be improved. The studies revealed significant discrepancies regarding the seismic response of the SMA wires. The interaction of both the frequency effects and the strain amplitude together with the unique transient character of the earthquake loading are supposed to be the reasons for the inaccuracy of the existing models. In the proposed project, the seismic behaviour of SMA dampers using real-time hybrid simulations (RTHS) is analysed. Therefor the structure is partitioned into into physical and numerical substructures. RTHS provides a fullscale experimental solution by simulating controlled structures numerically while testing dampers experimentally.Furthermore, the research project aims to improve the existing constitutive models regarding the dynamic response of the SMA by differentiating between cyclic loading effects, meaning SMA behaviour under repeated loading conditions, and transient earthquake loading effects regarding the stochastic nature of seismic loading.
日益增长的经济和技术要求使得用传统的建筑材料设计抗震土木工程结构成为不可能。形状记忆合金是一种具有独特性能的金属智能材料。在没有任何残余伸长率的情况下,SMA可以在机械应力引起的大变形之后恢复其原始形状,甚至超过7%的应变。这种所谓的超弹性行为使SMA成为现有阻尼器系统的有吸引力的替代方案,现有阻尼器系统显示出显著的技术局限性。金属钢阻尼器等传统的抗震装置由于其不可恢复的塑性变形而需要在每次强震后更换,因此SMA阻尼器的广泛应用需要进一步的数值和试验研究。到目前为止,研究人员确定了不一致的和部分不同的结果有关的SMA的能量耗散能力的变化过程。在试验部分,缺少SMA阻尼器的全尺寸振动台试验。在数值计算方面,现有的本构模型有待改进。这些研究揭示了SMA线的地震响应方面的显著差异。频率效应和应变幅值的相互作用以及地震荷载独特的瞬态特性被认为是现有模型不准确的原因。在拟议的项目中,SMA阻尼器的地震行为进行了分析,使用实时混合模拟(RTHS)。因此,该结构被划分为物理和数值子结构。RTHS提供了一个全面的实验解决方案,通过数值模拟控制结构,同时测试阻尼器的实验。此外,研究项目的目的是改善现有的本构模型关于SMA的动态响应,通过区分循环荷载效应,即SMA在重复荷载条件下的行为,和瞬态地震荷载效应关于地震荷载的随机性。

项目成果

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Rate dependent free energy formulations for dynamically excited superelastic SMA wires
动态激发超弹性 SMA 线的速率相关自由能公式
  • DOI:
    10.1002/pamm.202000209
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kaup A;Altay O;Klinkel S.
  • 通讯作者:
    Klinkel S.
Macroscopic modeling of strain-rate dependent energy dissipation of superelastic SMA dampers considering destabilization of martensitic lattice
  • DOI:
    10.1088/1361-665x/ab5e42
  • 发表时间:
    2020-02-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Kaup, A.;Altay, O.;Klinkel, S.
  • 通讯作者:
    Klinkel, S.
Strain rate dependent formulation of the latent heat evolution of superelastic shape memory alloy wires incorporated in multistory frame structures
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