SMA在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用

譚亞偉武漢建工科研設(shè)計(jì)有限公司（430000）

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SMA在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用

譚亞偉
武漢建工科研設(shè)計(jì)有限公司（430000）

摘要:這里主要介紹了形狀記憶合金的本構(gòu)關(guān)系，分別從結(jié)構(gòu)的被動(dòng)控制及智能控制三個(gè)方面系統(tǒng)總結(jié)了形狀記憶合金的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，最后指出了需進(jìn)一步研究的問(wèn)題和方向。

關(guān)鍵詞:形狀記憶合金；振動(dòng)控制；被動(dòng)控制

0引言

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡(jiǎn)稱SMA）是一種兼有感知和驅(qū)動(dòng)功能的智能材料。所謂形狀記憶是指材料在一定的條件下能夠恢復(fù)到過(guò)去曾具有的形狀。由于具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性效應(yīng)、相變滯后、高阻尼和電阻突變等獨(dú)特的性能，目前SMA已廣泛應(yīng)用于電子儀器、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械和航空航天等領(lǐng)域，并在土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的工程應(yīng)用前景。

1形狀記憶合金的本構(gòu)關(guān)系

對(duì)SMA特殊力學(xué)行為的描述和解釋,目前已經(jīng)發(fā)展了幾類本構(gòu)模型[1]。其中，唯象理論本構(gòu)模型具有實(shí)驗(yàn)觀察基礎(chǔ)、表達(dá)形式簡(jiǎn)單、模型參數(shù)容易確定等優(yōu)點(diǎn),目前在SMA智能復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)的分析應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用。唯象理論本構(gòu)模型大體分為兩個(gè)系列:一是Tanaka模型系列，另一個(gè)是帶有塑性理論特點(diǎn)的模型系列[1]。

2形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的研究應(yīng)用

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制主要利用形狀記憶合金的如下三方面特性:形狀記憶效應(yīng)、超彈性效應(yīng)和高阻尼特性。利用這種材料制成的耗能阻尼器安裝在機(jī)械、建筑及橋梁結(jié)構(gòu)上，可以減輕各種因素所造成的振動(dòng)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。

2.1被動(dòng)控制

利用形狀記憶合金的超彈性特性具有高阻尼且經(jīng)較大變形后能恢復(fù)的特點(diǎn)，可以制作成振動(dòng)被動(dòng)控制耗能阻尼器。目前,以形狀記憶合金絲繞制的拉壓型阻尼器居多，這是由于絲材在反復(fù)荷載作用下，由應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變變化較均勻，且相變過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量散失較快。

在被動(dòng)控制阻尼器中，最典型的就是CT阻尼器。這種阻尼器提供了一個(gè)數(shù)值不變的庫(kù)侖抵抗力,且剛度始終接近于零。只要環(huán)境溫度T>Af(保證超彈性工作階段)，那么溫度變化對(duì)阻尼器承載力的影響可以忽略。另外，阻尼力的大小是不變的，因此振動(dòng)頻率的影響也可不考慮。這兩點(diǎn)使得CT阻尼器的性能大大優(yōu)于常規(guī)的黏彈性阻尼器。

2.2智能控制

形狀記憶合金是一種性能優(yōu)良的感知和驅(qū)動(dòng)材料。在利用SMA材料超彈性性能和形狀記憶效應(yīng)進(jìn)行阻尼器設(shè)計(jì)的同時(shí)，一些學(xué)者開(kāi)始研究利用SMA的獨(dú)特性能，設(shè)計(jì)具有智能性的控制裝置，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的智能控制，并初步取得了一些成果。

何思龍[2]等在一根鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁中預(yù)埋了預(yù)應(yīng)變?yōu)?.8%的形狀記憶合金，通過(guò)自動(dòng)加熱系統(tǒng)用不同電流將形狀記憶合金加熱至各種設(shè)定溫度，然后考察梁在定值靜荷載和定值沖擊荷載下的反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，形狀記憶合金可以對(duì)結(jié)構(gòu)施加較大的預(yù)應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，從而大大降低結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的智能控制。

3結(jié)語(yǔ)

從國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用情況來(lái)看,利用SMA的特性制作的振動(dòng)控制器具有抗疲勞性好、抗腐蝕強(qiáng)、無(wú)液體滲漏、可恢復(fù)變形大及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但要真正使形狀記憶合金材料在土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域走向?qū)嵱没€需要進(jìn)行較大尺寸的SMA板材、棒材及塊材力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，為足尺形狀記憶合金阻尼器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，開(kāi)發(fā)出性能穩(wěn)定、可靠性高的形狀記憶合金阻尼器,并形成標(biāo)準(zhǔn)化的制作規(guī)范。

參考文獻(xiàn):

[1]王社良,蘇三慶,沈亞鵬.形狀記憶合金拉索被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析[J].土木工程學(xué)報(bào),2000,33(1):47- 51.

[2]何思龍,黃應(yīng)生,陳孟詩(shī),等.形狀記憶合金增強(qiáng)鋼筋混凝土自診斷與自適應(yīng)智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究[C].1996中國(guó)材料