形狀記憶合金在振動(dòng)控制中的應(yīng)用研究

河南城建學(xué)院 河南平頂山 467036；西安建筑科技大學(xué) 陜西西安 710055

摘要：本文介紹了形狀記憶合金的性能，綜述了其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究現(xiàn)狀，指出了形狀記憶合金用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制有待解決的一些關(guān)鍵問題，并展望了形狀記憶合金在土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：形狀記憶合金；智能結(jié)構(gòu)；智能材料；振動(dòng)控制

1、智能結(jié)構(gòu)

智能結(jié)構(gòu)，就是在基體中嵌人或粘貼傳感器和致動(dòng)器，并具有對(duì)致動(dòng)器有控制作用的裝置，從而能感知外界環(huán)境的變化及自身的實(shí)際狀態(tài)，并通過自身的感知，做出判斷，發(fā)出指令，執(zhí)行和完成動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)或在線狀態(tài)下自檢測、自診斷、自監(jiān)控、自修復(fù)及自適應(yīng)等多種功能。傳感器、作動(dòng)器、控制器是智能結(jié)構(gòu)的三個(gè)組成部分。近年來，形狀記憶合金這種智能材料由于反應(yīng)迅速、輸出力大、可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，被研制成各種形式的作動(dòng)器。

2、形狀記憶合金的特性

2.1形狀記憶效應(yīng)

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱SMA）最著名的特性是形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶效應(yīng)是指SMA具有記憶并恢復(fù)至它在奧氏體狀態(tài)下的形狀的能力。例如，開始時(shí)在較高溫度下，SMA組織為奧氏體，將SMA冷卻至低溫（如室溫），SMA中奧氏體發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，如果在馬氏體狀態(tài)下拉伸SMA并留下較大的塑性變形，那么將SMA加熱至一定溫度后，馬氏體就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，SMA將恢復(fù)到它開始時(shí)的形狀。這種形狀的恢復(fù)過程非?？?。如果在SMA恢復(fù)的過程中，對(duì)SMA施加約束，那么SMA將會(huì)產(chǎn)生很大的恢復(fù)應(yīng)力（可達(dá)700 MPa）。此種恢復(fù)應(yīng)力可用作結(jié)構(gòu)控制時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，也可以用來控制結(jié)構(gòu)的剛度。

2.2超彈性性能

形狀記憶合金材料的超彈性性能可使這類材料的相變恢復(fù)力呈現(xiàn)出非線性的特征，其剛度和阻尼都會(huì)隨著材料的變形而改變，利用這種特性就可研制具有變阻尼和變剛度的形狀記憶合金減振控制裝置（耗能器或阻尼器），以實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的被動(dòng)耗能減振控制，從而達(dá)到有效抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。

2.3彈性模量溫度變化特性

高溫下奧氏體SMA的彈性模量是低溫下馬氏體SMA的彈性模量的3倍以上。利用SMA的這種特性，將SMA預(yù)埋入結(jié)構(gòu)，通過加熱和冷卻SMA，改變SMA的組織，控制SMA的彈性模量變化，從而可以改變結(jié)構(gòu)局部或整體剛度，改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，達(dá)到避開共振的目的。

2.4阻尼性能

SMA的阻尼性能比普通金屬的阻尼性能好得多，其中馬氏體奧氏體混合SMA的阻尼性能最好，馬氏體SMA次之，奧氏體SMA的阻尼性能最小。SMA的阻尼性能比普通金屬的阻尼性能好得多，利用SMA良好的阻尼性能可以制成高性能的振動(dòng)阻尼器。

3、形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用

3.1在主動(dòng)控制中的應(yīng)用

SMA應(yīng)用于結(jié)構(gòu)主動(dòng)振動(dòng)控制主要表現(xiàn)為：改變或調(diào)節(jié)材料的力學(xué)性質(zhì)，使結(jié)構(gòu)避開共振；被控結(jié)構(gòu)中利用可控的驅(qū)動(dòng)體，提供較大的恢復(fù)力或恢復(fù)力矩，使振動(dòng)結(jié)構(gòu)停息在平衡位置；利用形狀記憶合金的恢復(fù)力，可以實(shí)現(xiàn)裂紋的主動(dòng)控制。為了維護(hù)世界文化遺產(chǎn)，國外科研人員已利用形狀記憶合金的超彈性性能加固了一些有價(jià)值的古建筑。最新的形狀記憶合金應(yīng)用是加固遭受破壞的佐治亞教堂的鐘塔。加固方案采取在塔內(nèi)加設(shè)四道連有形狀記憶合金耗能器的后張拉預(yù)應(yīng)力筋，以控制裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展，并且確保它能經(jīng)受住下次地震的作用。

3.2被動(dòng)耗能器的應(yīng)用

在土木工程領(lǐng)域，增加結(jié)構(gòu)物阻尼的方法是目前應(yīng)用最廣泛的方法，它可適用于不同類型，不同形狀構(gòu)造，不同地基土質(zhì)條件的建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。SMA的被動(dòng)耗能機(jī)制主要包括兩個(gè)方面：一是由于其內(nèi)摩擦作用產(chǎn)生的能量耗散機(jī)制；二是SMA的超彈性性能導(dǎo)致大的滯后環(huán)的出現(xiàn)。形狀記憶合金耗能器一般安裝在結(jié)構(gòu)的層間，使之感受層間變形，以達(dá)到消耗地震能量的目的。試驗(yàn)表明，在安裝了形狀記憶合金耗能器后，近一半地震能量可以被耗能器吸收，結(jié)構(gòu)的位移得到了明顯的控制。

3.3在隔震中的應(yīng)用

橡膠支座隔震（振）己經(jīng)成為目前比較成熟的隔震技術(shù)之一，但橡膠隔震支座的耐久性和穩(wěn)定性有提高，在產(chǎn)生較大變形后橡膠支座往往不能恢復(fù)原狀而需要更換，形狀記憶合金金屬橡膠（Shape Memory Alloy Metal Rubber，SMAMR）是在金屬橡膠基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型減振材料，在減震（振）器發(fā)生塑性變形之后，形狀記憶合金金屬橡膠可以通過加熱誘發(fā)金屬橡膠中的形狀記憶合金絲發(fā)生相變，從而達(dá)到變形自恢復(fù)的目的，而不需要更換新的設(shè)備。

3.4在智能混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

SMA具有集傳感和驅(qū)動(dòng)于一身的優(yōu)勢，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和控制。為了最大限度地推進(jìn)SMA在土木結(jié)構(gòu)主被動(dòng)振動(dòng)控制中的應(yīng)用，在建筑結(jié)構(gòu)中支撐、剪力墻等重要結(jié)構(gòu)件設(shè)置SMA，使其成為智能混凝土結(jié)構(gòu)。

3.5MSMA的應(yīng)用

磁性形狀記憶合金，（Magnetic Shape Memory-Alloy，MSMA）不但具有傳統(tǒng)形狀記憶合金受溫度場控制的熱彈性形狀記憶效應(yīng)，而且在磁場作用下發(fā)生磁誘發(fā)相變，這個(gè)動(dòng)作是瞬時(shí)進(jìn)行的。所以具有反應(yīng)迅速、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于各種場合。

4、結(jié)論與展望

綜上所述，SMA作為一種很有前途的新型功能材料，在土木工程領(lǐng)域的研究有了很大的發(fā)展，無論是進(jìn)行主動(dòng)控制還是被動(dòng)控制，利用SMA都可以有效地減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此，將SMA運(yùn)用到土木工程中是未來防災(zāi)減災(zāi)工程的一個(gè)重要的發(fā)展方向，也是一種理想的選擇。

（l）形狀記憶合金的衰減率小，而且衰減率過分依賴于溫度和振幅，加之加工性能欠佳，價(jià)格偏高等都限制了形狀記憶合金在減震中的應(yīng)用。提高形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度，特別是對(duì)與結(jié)構(gòu)減震相關(guān)的性能進(jìn)行深人研究具有現(xiàn)實(shí)的意義。

（2）進(jìn)一步研制和開發(fā)新型的形狀記憶合金主被動(dòng)控制器，并且使形狀記憶合金控制器的制作標(biāo)準(zhǔn)化。形狀記憶合金控制器的可靠性、耐久性研究都還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

（3）將SMA應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)控振減振的目的，應(yīng)弄清材料的阻尼性能，而影響阻尼性能的因素很多，其中溫度、應(yīng)力和頻率及循環(huán)次數(shù)等加載條件是影響材料阻尼性能的外在因素；材料的成分、處理工藝等是影響SMA阻尼性能的內(nèi)在因素，需要做大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析才能解決這個(gè)問題。

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