SMA在结构振动控制中的应用

谭亚伟武汉建工科研设计有限公司（430000）



SMA在结构振动控制中的应用

谭亚伟
武汉建工科研设计有限公司（430000）

摘要:这里主要介绍了形状记忆合金的本构关系，分别从结构的被动控制及智能控制三个方面系统总结了形状记忆合金的研究应用现状，最后指出了需进一步研究的问题和方向。

关键词:形状记忆合金；振动控制；被动控制

0引言

形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种兼有感知和驱动功能的智能材料。所谓形状记忆是指材料在一定的条件下能够恢复到过去曾具有的形状。由于具有形状记忆效应、超弹性效应、相变滞后、高阻尼和电阻突变等独特的性能，目前SMA已广泛应用于电子仪器、汽车工业、医疗器械和航空航天等领域，并在土木工程结构振动控制领域表现出广阔的工程应用前景。

1形状记忆合金的本构关系

对SMA特殊力学行为的描述和解释,目前已经发展了几类本构模型[1]。其中，唯象理论本构模型具有实验观察基础、表达形式简单、模型参数容易确定等优点,目前在SMA智能复合材料在结构的分析应用中发挥着重要的作用。唯象理论本构模型大体分为两个系列:一是Tanaka模型系列，另一个是带有塑性理论特点的模型系列[1]。

2形状记忆合金在结构振动控制中的研究应用

结构振动控制主要利用形状记忆合金的如下三方面特性:形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼特性。利用这种材料制成的耗能阻尼器安装在机械、建筑及桥梁结构上，可以减轻各种因素所造成的振动反应,实现工程结构的振动控制。

2.1被动控制

利用形状记忆合金的超弹性特性具有高阻尼且经较大变形后能恢复的特点，可以制作成振动被动控制耗能阻尼器。目前,以形状记忆合金丝绕制的拉压型阻尼器居多，这是由于丝材在反复荷载作用下，由应力诱发马氏体相变变化较均匀，且相变过程中所产生的热量散失较快。

在被动控制阻尼器中，最典型的就是CT阻尼器。这种阻尼器提供了一个数值不变的库仑抵抗力,且刚度始终接近于零。只要环境温度T>Af(保证超弹性工作阶段)，那么温度变化对阻尼器承载力的影响可以忽略。另外，阻尼力的大小是不变的，因此振动频率的影响也可不考虑。这两点使得CT阻尼器的性能大大优于常规的黏弹性阻尼器。

2.2智能控制

形状记忆合金是一种性能优良的感知和驱动材料。在利用SMA材料超弹性性能和形状记忆效应进行阻尼器设计的同时，一些学者开始研究利用SMA的独特性能，设计具有智能性的控制装置，实现结构的智能控制，并初步取得了一些成果。

何思龙[2]等在一根钢筋混凝土简支梁中预埋了预应变为1.8%的形状记忆合金，通过自动加热系统用不同电流将形状记忆合金加热至各种设定温度，然后考察梁在定值静荷载和定值冲击荷载下的反应。试验结果表明，形状记忆合金可以对结构施加较大的预应力，提高结构的强度和刚度，从而大大降低结构的静、动力反应，实现对结构的智能控制。

3结语

从国内外的研究和应用情况来看,利用SMA的特性制作的振动控制器具有抗疲劳性好、抗腐蚀强、无液体渗漏、可恢复变形大及性能稳定等优点。但要真正使形状记忆合金材料在土木工程结构振动控制领域走向实用化，还需要进行较大尺寸的SMA板材、棒材及块材力学性能的试验研究，为足尺形状记忆合金阻尼器的设计提供理论依据，开发出性能稳定、可靠性高的形状记忆合金阻尼器,并形成标准化的制作规范。

参考文献:

[1]王社良,苏三庆,沈亚鹏.形状记忆合金拉索被动控制结构地震响应分析[J].土木工程学报,2000,33(1):47- 51.

[2]何思龙,黄应生,陈孟诗,等.形状记忆合金增强钢筋混凝土自诊断与自适应智能结构系统的研究[C].1996中国材料