淺談形狀記憶合金在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用(圖文)

1、淺談形狀記憶合金在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用(圖文)論文導(dǎo)讀：近年來，如何提高土木工程結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性問題逐漸受到人們的重視。目前，在土木工程領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的智能材料有形狀記憶合金、壓電材料、光柵光纖及磁流變體等。SMA用于結(jié)構(gòu)的振動控制，可以有效地減小結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的位移響應(yīng)，因此結(jié)構(gòu)振動控制是SMA在土木工程領(lǐng)域中的主要研究方向。關(guān)鍵詞：形狀記憶合金，土木工程，振動控制，健康監(jiān)測0 引言近年來，如何提高土木工程結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性問題逐漸受到人們的重視。經(jīng)過各國學(xué)者的共同努力，相繼提出了一些較為前沿的方法用于提高結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性。其中，由智能材料組成的智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在土木工程

2、領(lǐng)域的應(yīng)用研究不僅具有吸引力，而且具有潛在的革命性。目前，在土木工程領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的智能材料有形狀記憶合金、壓電材料、光柵光纖及磁流變體等。在眾多的智能材料中，形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)是一類對形狀有記憶功能的材料，這種材料本身具有自感知、自診斷和自適應(yīng)的功能。1932年，美國學(xué)者Olander在研究Au-Cd合金時發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect，簡稱SME)。論文格式。此后對SMA的研究和應(yīng)用才真正開始。SMA作為智能材料之一，最早廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、醫(yī)療等精密尖端領(lǐng)域。近年來，隨著材料加工技術(shù)和工業(yè)化生產(chǎn)能力的提

3、高，SMA在土木工程中的研究與應(yīng)用也有了較快的發(fā)展。SMA由于具有可恢復(fù)變形大、在受限回復(fù)時能產(chǎn)生很大的驅(qū)動力、電阻對應(yīng)變敏感、高阻尼性能、抗疲勞性能好，并且可以實(shí)現(xiàn)多種變形形式，易于同混凝土、鋼等材料相結(jié)合等特點(diǎn)而日益受到重視，國內(nèi)外眾多學(xué)者對SMA在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗研究。1 SMA的重要特性1.1 形狀記憶效應(yīng)(SME)形狀記憶效應(yīng)是指某些具有熱彈性或應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的材料處于馬氏體狀態(tài)，并進(jìn)行一定限度的變形后，經(jīng)加熱并超過馬氏體相消失溫度時，材料能完全恢復(fù)到變形前的形狀和體積的功能，如圖1所示。根據(jù)材料記憶功能的不同，可分為單程、雙程和全方位SME。單程SME是指材料只

4、能一次動作，即加熱后回復(fù)到高溫時的形狀，并保持該形狀；雙程SME是指材料反復(fù)加熱和冷卻，能夠反復(fù)回復(fù)到高、低溫時的形狀；全方位SME是指材料在具有雙程記憶特性的同時，如果冷卻到更低溫度，可以出現(xiàn)與高溫時完全相反的形狀。1.2 超彈性(PE)超彈性是指當(dāng)SMA溫度超過奧氏體相變完成溫度Af,加載應(yīng)力超過彈性極限，即產(chǎn)生非彈性應(yīng)變后，繼續(xù)加載將產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變，但這種馬氏體隨著應(yīng)力的消失而消失，即使不加熱也會產(chǎn)生馬氏體逆相變而恢復(fù)到原來的母相(奧氏體相)狀態(tài)，應(yīng)力作用下產(chǎn)生的宏觀變形也將隨著逆相變的進(jìn)行而完全消失，如圖2所示。圖1 形狀記憶效應(yīng)圖2 超彈性2 形狀記憶合金在土木工程領(lǐng)域中的

5、應(yīng)用2.1用于結(jié)構(gòu)振動控制SMA用于結(jié)構(gòu)的振動控制，可以有效地減小結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的位移響應(yīng)，因此結(jié)構(gòu)振動控制是SMA在土木工程領(lǐng)域中的主要研究方向。目前，SMA用于結(jié)構(gòu)主動控制時，主要研究SMA作動器的設(shè)計和如何提高作動器的使用頻率；而對于被動控制則主要研究用SMA材料設(shè)計阻尼元件和振動隔離器。只有設(shè)計出理想的作動元件和智能阻尼元件，才能更有效地控制結(jié)構(gòu)振動。如何利用SMA的特點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)振動，特別是控制建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動，以及對SMA的材料性能進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)新型的大應(yīng)變、大驅(qū)動力、高響應(yīng)頻率、性能穩(wěn)定的SMA材料，目前在國外都是十分活躍的研究課題。2.3用于結(jié)構(gòu)裂紋及損傷監(jiān)測及控

6、制裂紋及損傷的主動探測和控制是當(dāng)前工程結(jié)構(gòu)中十分突出和迫切需要解決的問題。在一些大型結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵受力部件對裂紋和損傷十分敏感，一旦出現(xiàn)就會造成重大事故，而用傳統(tǒng)技術(shù)和方法不能及時發(fā)現(xiàn)構(gòu)件中的裂紋和應(yīng)力集中較大的部位?？梢岳肧MA對應(yīng)變敏感、電阻率大及加熱后可以產(chǎn)生大回復(fù)力的特點(diǎn)，再配上微處理器，使之集傳感驅(qū)動于一體，便構(gòu)成自動探測裂紋或損傷和主動控制裂紋擴(kuò)展的完整控制系統(tǒng)。將SMA制成絲或薄膜粘在構(gòu)件易產(chǎn)生裂紋或應(yīng)力集中較大的地方，當(dāng)構(gòu)件產(chǎn)生裂紋或損傷以后，位于裂紋處的SMA將隨裂紋表面張開位移增加而產(chǎn)生局部變形，從而使其材料電阻值發(fā)生變化，隨著裂紋不斷擴(kuò)展及外加載荷不斷增加，其張開位移也

7、不斷增大，位于構(gòu)件裂紋處SMA的變形也不斷變大，相應(yīng)電阻值也不斷提高，其電阻值的變化量和變化規(guī)律，由微處理器可判斷監(jiān)測出裂紋的大小和位置。當(dāng)構(gòu)件的裂紋或損傷到達(dá)需要控制的范圍時，SMA的變化信號經(jīng)微機(jī)控制系統(tǒng)分析判斷后，自動地發(fā)出控制信號，將SMA通電加熱，當(dāng)加熱溫度超過SMA相轉(zhuǎn)變點(diǎn)時，它的內(nèi)部就產(chǎn)生回復(fù)效應(yīng)，SMA發(fā)生動作，試圖收縮。由于裂紋表面在外載作用下張開阻止其回復(fù)，于是SMA產(chǎn)生很大回復(fù)力。此回復(fù)力大小隨裂尖張開位移的增大而增大。論文格式。此回復(fù)力改變了裂尖的受力狀況，驅(qū)動裂紋閉合，使裂紋張開位移減小，實(shí)現(xiàn)裂紋的主動控制。在實(shí)際應(yīng)用中，為簡化結(jié)構(gòu)，也可利用SMA自身特性及偽彈性性質(zhì)

8、來實(shí)現(xiàn)裂紋的被動控制。3 當(dāng)前存在的問題雖然形狀記憶合金具有許多獨(dú)特的性能，在結(jié)構(gòu)減震控制的初步研究與應(yīng)用中已顯示出了它的優(yōu)越性能及其應(yīng)用前景，但是，總的來說對與結(jié)構(gòu)減震相關(guān)的形狀記憶合金特性的研究還不夠深入，發(fā)展形狀記憶合金驅(qū)動器中還存在一些問題。(1) SMA作為驅(qū)動器，激勵合金時需要消耗能量，且對SMA加熱或冷卻以產(chǎn)生驅(qū)動力時都需要一定的時間，這使其在控制頻率上受到一定的限制。若直接以通電方式激勵，利用材料本身的電阻加熱，由于合金的電阻不大，激勵它需要大電流、粗導(dǎo)線，在某些智能材料結(jié)構(gòu)中不適用。對應(yīng)用于減震的SMA，其減震合金的衰減率小，而且衰減率過分依賴于溫度和振幅，加之加工性能欠佳，

9、價格偏高等都限制了SMA在減震中的應(yīng)用。因此對SMA性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究，提高SMA驅(qū)動器的響應(yīng)速度，特別是對與結(jié)構(gòu)減震相關(guān)的性能進(jìn)行深入研究具有現(xiàn)實(shí)的意義。(2) SMA這一功能材料的發(fā)現(xiàn)，改變了長期以來形成的金屬是熱脹冷縮彈性變形是線性的等傳統(tǒng)觀念，虎克定律在這一材料中已不適用。因此，要想利用其制成主、被動控制器，對SMA的宏觀力學(xué)性能進(jìn)行深一層的研究，建立適于工程應(yīng)用的簡化本構(gòu)模型是必須解決的問題。(3) 利用SMA的超彈性效應(yīng)和高阻尼特性制成阻尼器，來減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)是切實(shí)可行的，而且試驗也已驗證了SMA阻尼的減震、抗震效果，因此應(yīng)進(jìn)一步研制和開發(fā)新型的形狀記憶合金主被動控制器，并且使SMA控制器的制作標(biāo)準(zhǔn)化。另外，對裝有SMA控制器結(jié)構(gòu)的減震控制效果的研究，SMA控制器在結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用的可行性研究及實(shí)際工程設(shè)計方法的研究，SMA