浅析应用SMA进行土木结构振动控制时存在的难点.docVIP

浅析应用SMA进行土木结构振动控制时存在的难点 　　【摘要】本文首先介绍了SMA的物理和力学特点，然后详细分析了SMA在土木结构振动控制中存在的问题及难点，最后针对问题及难点提出一些控制策略，并根据存在的难点分析了SMA 未来发展趋势及其进程。 　　【关键词】SMA；土木结构；振动控制；难点； 　　引言：形状记忆合金是一种在结构振动控制领域具有广阔应用前景的智能材料，利用它的形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼特性等特点，可实现结构的振动控制。但土木工程结构体型大、结构材料粗糙（如混凝土）和结构荷载巨大，而SMA材料价格昂贵，因此在土木工程中的应用显然存在一些问题。下面我们就详细分析SMA在土木结构振动控制中存在的难点以及SMA的发展进程。 　　一、SMA的特点分析 　　在SMA 的物理与力学性能中，形状记忆效应、弹性模量温度变化特性和阻尼性能是形状记忆合金主要有以下几个特性： 　　1、形式记忆效应 　　形状记忆效应是指材料在较低的温度下或增加应力时，经受塑性变形，当升高温度或减少应力时，这种材料能恢复到原来的形状。具体地说，形状记忆效应是指材料会记忆它在高温奥氏体状态下的形状，即形状记忆合金在低温马氏体状态下产生预变形，加热后就会恢复到原来在奥氏体状态下的形状[1]。 　　2、弹性模量温度变化特性 　　SMA 的弹性模量受温度的影响变化很大，高温下奥氏体SMA 的弹性模量是低温马氏体SMA 的弹性模量的3 倍以上。利用SMA 的这种特性，将SMA 预埋入结构中，通过加热和冷却SMA ，改变SMA 的组织，控制SMA 弹性模量变化，从而可以改变结构局部或整体刚度，达到避开共振的目的。 　　3、阻尼特性 　　SMA 由于马氏体相变的自协调和马氏体中形成的各种界面（孪晶面、相界面、变体界面等） 及界面运动而具有很好的阻尼特性。马氏体相变过程中，由于马氏体的成核与生长对振动能的吸收逐渐增加，内耗峰的大小与振动1 周内形成的马氏体数量成正比。 　　二、SMA在土木结构振动控制存在的问题 　　目前， SMA的主要应用对象是质量较轻和价格较贵的复合材料结构及汽车、航空航天飞行器等。那么，它在土木工程中的应用情况及前景如何呢？自从20世纪90年代初Graesser等人首次对形状记忆合金在结构振动控制领域的应用进行初步探索以来，国内外学者陆续开展了形状记忆合金在土木结构振动控制领域的研究工作[2]。但考虑到土木工程结构体型大、结构材料粗糙（如混凝土）和结构荷载巨大等，因此SMA在土木工程中的应用方式显然有别于一般的复合材料结构，它具有自己的特点和优势，但也明显存在一些不足，主要有以下几个方面： 　　1、性价比方面存在的问题 　　（1）形状记忆合金起先应用于军工、医疗等方面，如仪器仪表、自动控制、能源、航空航天、医疗和机器人等领域。形状记忆合金材料应用于土木工程时，只能有选择地在一些很重要的桥梁结构和房屋建筑结构中使用，使这些重要的结构物在遭受到突然冲击（如地震）时，能防止灾难性事故发生或减轻其损害程度。（2） SMA应用于土木工程结构时，一般为了达到相应的控制效果， SMA 耗能器的尺寸非常大，因此，器件的具体形状构造还有待进一步探索。 　　2、主动控制中温度控制迟缓问题 　　在主动控制中， SMA的作动靠其本身的金相组织发生相变来完成，相变过程中总伴随着材料与周围介质的大量的热交换。这种相变本质上与速率无关。因而，相变的时间变化率由热传导的时间变化律唯一决定[3]。目前采用的热交换机制包括电阻加热（产生马氏体向奥氏体相变）及其强制性对流冷却（产生奥氏体向马氏体相变） 。但由于SMA的热滞现象，任何采用上述热交换机制作动器的驱动频率都比较低。特别是埋入被控结构体内的SMA丝或SMA层，冷却时间往往会更长，这就限制了SMA驱动器只能用于低频振动控制。 　　三、控制措施及发展进程 　　1、控制措施 　　要使该材料在我国土木工程领域得到推广应用，必须很好地解决以上存在的难题。（1）改变传统意义上的电阻加热、自由对流冷却和电阻加热、强制对流冷却的思维模式，采用先进的热传导方法，如利用热电热传导机制等原理，以弥补SMA的热力学性能较差的缺陷，大大缩短加热、冷却的时间[4]。（2）利用和保留SMA 的形状记忆效应和相变机制能够产生高应变的特点，但是相变过程改由磁性或电驱动，可望大大提高作动频率。实际上，我们知道铁磁体（ ferromagnetic）和铁电体（ ferromagnetic）通常具有几千赫兹，甚至为兆赫兹的很高响应频率，但能产生的应变却非常小（ ≤10-3 ） 。因此，能够同时具有铁磁体（或铁电体）和形状记忆效应的智能材料的发展，无疑将是研制高应变、高频率作动器最为理想的材料。（3）采用混合作动的概