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浅谈形状记忆合金在土木工程领域中的应用
发布时间:2021-05-30 05:31
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本文摘要:论文简介:近年来,如何提升土木工程结构的安全性、耐久性问题渐渐受到人们的推崇。目前,在土木工程领域中应用于更为普遍的智能材料有形状记忆合金、压电材料、光栅光纤及磁流变体等。 SMA用作结构的振动掌控,可以有效地增大结构在地震荷载起到下的偏移号召,因此结构振动掌控是SMA在土木工程领域中的主要研究方向。关键词:形状记忆合金,土木工程,振动掌控,身体健康监测 0章节 近年来,如何提升土木工程结构的安全性、耐久性问题渐渐受到人们的推崇。

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论文简介:近年来,如何提升土木工程结构的安全性、耐久性问题渐渐受到人们的推崇。目前,在土木工程领域中应用于更为普遍的智能材料有形状记忆合金、压电材料、光栅光纤及磁流变体等。

SMA用作结构的振动掌控,可以有效地增大结构在地震荷载起到下的偏移号召,因此结构振动掌控是SMA在土木工程领域中的主要研究方向。关键词:形状记忆合金,土木工程,振动掌控,身体健康监测  0章节  近年来,如何提升土木工程结构的安全性、耐久性问题渐渐受到人们的推崇。

经过各国学者的共同努力,陆续明确提出了一些更为前沿的方法用作提升结构的安全性及耐久性。其中,由智能材料构成的智能材料结构系统在土木工程领域的应用于研究不仅具备吸引力,而且具备潜在的革命性。目前,在土木工程领域中应用于更为普遍的智能材料有形状记忆合金、压电材料、光栅光纤及磁流变体等。

  在众多的智能材料中,形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,全称SMA)是一类对形状有记忆功能的材料,这种材料本身具备自感官、自临床和自适应的功能。1932年,美国学者Olander在研究Au-Cd合金时找到了形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,全称SME)。论文格式。此后对SMA的研究和应用于才确实开始。

SMA作为智能材料之一,最先普遍应用于航空航天、机器人、医疗等仪器尖端领域。近年来,随着材料加工技术和工业化生产能力的提升,SMA在土木工程中的研究与应用于也有了较慢的发展。

SMA由于具备可恢复变形大、在有限恢复时能产生相当大的驱动力、电阻对突发事件脆弱、低阻尼性能、抗疲劳性能好,并且可以构建多种变形形式,更容易同混凝土、钢等材料结合等特点而日益受到重视,国内外众多学者对SMA在土木工程中的应用于展开了理论和实验研究。  1SMA的最重要特性  1.1形状记忆效应(SME)  形状记忆效应是指某些具备热弹性或形变所致马氏体热力学的材料正处于马氏体状态,并展开一定限度的变形后,经冷却并多达马氏体互为消失温度时,材料能完全恢复到变形前的形状和体积的功能,如图1右图。

根据材料记忆功能的有所不同,可分成单程、双程和全方位SME。单程SME是指材料不能一次动作,即冷却后恢复到高温时的形状,并维持该形状;双程SME是指材料重复冷却和加热,需要重复恢复到低、低温时的形状;全方位SME是指材料在具备双程记忆特性的同时,如果加热到更加较低温度,可以经常出现与高温时几乎忽略的形状。

  1.2超强弹性(PE)  超强弹性是指当SMA温度多达奥氏体热力学已完成温度Af,读取形变多达弹性无限大,即产生非弹性突发事件后,之后读取将产生形变所致的马氏体热力学,但这种马氏体随着形变的消失而消失,即使不冷却也不会产生马氏体逆热力学而完全恢复到原本的母相(奥氏体互为)状态,形变起到下产生的宏观变形也将随着逆热力学的展开而几乎消失,2形状记忆合金在土木工程领域中的应用于  2.1用作结构振动掌控  SMA用作结构的振动掌控,可以有效地增大结构在地震荷载起到下的偏移号召,因此结构振动掌控是SMA在土木工程领域中的主要研究方向。目前,SMA用作结构主动掌控时,主要研究SMA作动器的设计和如何提升作动器的用于频率;而对于被动掌控则主要研究用SMA材料设计阻尼元件和振动隔离器。只有设计出有理想的作动元件和智能阻尼元件,才能更加有效地控制结构振动。

如何利用SMA的特点控制结构振动,尤其是掌控建筑结构在地震起到下的振动,以及对SMA的材料性能展开改良,研发新型的大突发事件、大驱动力、低号召频率、性能平稳的SMA材料,目前在国外都是十分活跃的研究课题。  2.3用作结构裂纹及受损监测及掌控  裂纹及受损的主动观测和掌控是当前工程结构中十分引人注目和迫切需要解决问题的问题。在一些大型结构的一些关键受力部件对裂纹和受损十分脆弱,一旦经常出现就不会导致重大事故,而用传统技术和方法无法及时发现构件中的裂纹和应力集中较小的部位。可以利用SMA对突发事件脆弱、电阻率大及冷却后可以产生大恢复力的特点,配上上微处理器,使之集传感驱动于一体,之后包含自动观测裂纹或受损和主动掌控裂纹拓展的原始控制系统。

  将SMA做成丝或薄膜硬在构件不易产生裂纹或应力集中较小的地方,当构件产生裂纹或受损以后,坐落于裂纹处的SMA将随裂纹表面张开偏移减少而产生局部变形,从而使其材料电阻值发生变化,随着裂纹大大拓展及另加载荷大大减少,其张开偏移也大大减小,坐落于构件裂纹一处SMA的变形也大大逆大,适当电阻值也大大提升,其电阻值的变化量和变化规律,由微处理器可辨别监测出有裂纹的大小和方位。  当构件的裂纹或受损抵达必须掌控的范围时,SMA的变化信号经微机控制系统分析判断后,自动地收到掌控信号,将SMA通电冷却,当冷却温度多达SMA互为改变点时,它的内部就产生恢复效应,SMA再次发生动作,企图膨胀。由于裂纹表面独自载有起到下张开制止其恢复,于是SMA产生相当大恢复力。

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此恢复力大小随裂尖张开偏移的减小而减小。论文格式。

此恢复力转变了裂钝的受力状况,驱动裂纹开口,使裂纹张开偏移增大,构建裂纹的主动掌控。在实际应用于中,为修改结构,也可利用SMA自身特性及伪弹性性质来构建裂纹的被动掌控。  3当前不存在的问题  虽然形状记忆合金具备许多独有的性能,在结构隔热掌控的可行性研究与应用于中已表明出有了它的优越性能及其应用于前景,但是,总的来说对与结构隔热涉及的形状记忆合金特性的研究还过于了解,发展形状记忆合金驱动器中还不存在一些问题。

  (1)SMA作为驱动器,鼓舞合金时必须消耗能量,且对SMA冷却或加热以产生驱动力时都必须一定的时间,这使其在掌控频率上受到一定的容许。若必要以通电方式鼓舞,利用材料本身的电阻加热,由于合金的电阻并不大,鼓舞它必须大电流、细导线,在某些智能材料结构中不限于。

对应用于隔热的SMA,其隔热合金的衰减率小,而且衰减率过分依赖温度和振幅,加之加工性能佳,价格偏高等都容许了SMA在隔热中的应用于。因此对SMA性能展开更进一步的研究,提升SMA驱动器的响应速度,尤其是对与结构隔热涉及的性能展开深入研究具备现实的意义。

  (2)SMA这一功能材料的找到,转变了长期以来构成的金属是热胀冷缩弹性变形是线性的等传统观念,虎克定律在这一材料中已不限于。因此,要想要利用其做成主、被动控制器,对SMA的宏观力学性能展开深一层的研究,创建适合于工程应用于的修改本构模型是必需解决问题的问题。    (3)利用SMA的超强弹性效应和低阻尼特性做成阻尼器,来增加结构的地震反应是切实可行的,而且试验也已检验了SMA阻尼的隔热、抗震效果,因此不应更进一步研制和研发新型的形状记忆合金主被动控制器,并且使SMA控制器的制作标准化。  另外,对装有SMA控制器结构的隔热掌控效果的研究,SMA控制器在结构工程中应用于的可行性研究及实际工程设计方法的研究,SMA控制器的可靠性、耐久性研究都还有待更进一步强化。

  4结语  本文详细讲解了SMA的主要特性,以及其土木工程领域中的应用于方向。虽然形状记忆合金的理论还有待更进一步的完备,它在土木工程中的应用于仍正处于尝试阶段,但是随着人们对SMA性能研究工作的浅人积极开展,其在土木工程领域中的应用于前景是十分辽阔的。

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