土木工程振動控制中智能材料研究范文

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摘要：

隨著智能材料研發的不斷深入，它已廣泛被應用于土木工程行業中。當前智能材料在土木工程中應用的研究主要集中在結構振動的自控制、自修復、自適應等方面，有效提高了土木工程結構的耐久性及適用性。智能材料在土木工程結構振動控制中的應用為其開辟了新的路徑。本文將簡單介紹結構振動控制與智能材料，并在此基礎上總結分析智能材料在土木工程結構振動控制中的應用，供廣大讀者參考。

關鍵詞：

智能材料；土木工程；振動控制

智能材料的誕生與應用為土木工程結構振動控制的實現提供了一種新方法。在振動控制研究中，使用智能材料的結構控制已經成為熱點內容。利用智能材料生產的控制器沒有時滯、反應較敏捷、消耗能源小、容易驅動、結構也比較簡單，這些優勢使其在結構振動控制中應用的前景良好。

一、結構振動控制簡介

結構振動控制不僅能夠提高建筑物對地面運動的抵抗能力、降低輸入干擾力，還能夠在發生地震時進行連續的自動調整。但是，在實際使用過程中，該技術存在一個很嚴重的問題，就是在發生地震時不能確保系統運行所需的外部能源[1]。

二．智能材料簡介

當前的智能驅動材料主要有磁致伸縮材料、電/磁流變液（MR）、形狀記憶合金、壓電材料等等。這些智能材料能夠參照電磁場、溫度等的變化對自身的機械性質、內部消耗、阻尼、振動頻率、剛度、大小以及外部形狀等進行自動的改變，進而根據實際需要利用相應功能的智能材料來生產相應的驅動器或者消能器。智能材料在土木工程結構振動控制中應用的研究主要集中在通過智能材料制作主動控制的驅動涉筆、被動控制的消能減振設備。這些裝置設備具有反應靈敏、消耗能源小、出力大等特點，將成為未來土木工程結構振動控制中主流的減振驅動設備[2]。

三．智能材料在土木工程結構振動控制中的應用

（一）電/磁流變流體

在外加電磁場的作用下，電/磁流變流體將牛頓流體轉換為粘塑體的時間可達毫秒級，并且該轉換具有可逆性。利用電/磁流變流體制作的阻尼器不僅能夠連續可調，并且反應靈敏，具有較大的阻尼力，已有很多專家研究了電/磁流變流體在結構振動控制中的應用。自上世紀90年代后，土木工程、石油、航天航空以及機械工程等行業中均開始了磁流變液相關的試驗與理論研究。當前國外已經研發出了光學加工設備、剎車裝置以及磁流變液減振器。就性能而言，電流變液、磁流變液具有很多的相似之處，但是利用磁流變液制作裝置的優點更多：第一，利用磁流變液制成的裝置能夠在-40-150℃條件下運行，并且具有很強的抗干擾能力，在土木工程結構中非常適用；第二，利用磁流變液制成的控制裝置，不僅結構非常簡單，并且其輸出力能夠跟隨外部荷載的變化情況進行自動的調節；第三，利用磁流變液制成的控制裝置運行時消耗的能源非常低，一般情況下不會超過50W，并且所需的電壓僅為2-25V，這樣就大大消除了電流變液所需的幾千伏電壓產生的不便于危險；第四，在耗電功率相同的條件下，與電流變液相比，磁流變液能夠達到的剪切屈服應力要高出一個數量級，這樣就使得在達到良好減振效果、形成較大控制力的條件下，利用磁流變液所制作減振驅動器的體積會更小。

（二）形狀記憶合金

這種驅動材料的相變滯后性、偽彈性特點較為顯著，在加載、卸載中其應力-應變曲線呈現出環狀，這就表明了該智能材料在加載、卸載過程中能夠吸收、消耗很大的能量。此外，該材料的具有很高的相變回復力，最高能夠達到40MaP。利用該材料較高的相變回復力，能夠制作出被動消能控制系統、被動消能器。通常情況下，為了讓消能器充分感受層間變形，對地震能量進行消散，多數被動消能器安裝的位置在結構底部或者間層中。有學者對此進行了相關的試驗，在安裝了消能器后，可以吸收大約60%的地震能量，并且顯著抑制、降低了結構的位移。在1993年，Aiken等人已經對形狀記憶合金進行了相關研究，他們通過拉鎖的形式將其設在三層的鋼框架模型的層間，在沒有預應力的條件下研究了合金絲對對結構地震反應的控制效果。

（三）壓電材料

利用壓電材料制作的減震裝置已經被成功應用在機械工程、航空結構等的振動控制中，壓電材料智能減震結構是一種主動控制系統，該結構優點有很多，比如外加能源地、具有較高的精確度、反應靈敏以及較好的密實性等等。當前對壓電材料智能減震結構的研究主要集中在把壓電體匯總于傳統結構中，并通過壓電傳感元件對結構振動模態進行感知，然后對其進行輸出，進而利用相應的計算方式明確壓電驅動器的輸入，以便結構振動達到主動控制的目的。一般情況下，在使用壓電材料時是成對的，并將其放在被控目標的高應變區。在將電壓加在壓電材料上后，上下部分的壓電材料間發生完全相反的應變，產生的控制力矩將作用于被控的目標。在受拉情況下，壓電材料將呈現出脆性，所以為了確保在交變電場中，壓電材料一直呈現出壓縮狀態，應當具備一定的預壓荷載。相關研究顯示，在復合梁中插入壓電陶瓷能夠將梁首階模態的阻尼比提高兩個數量級；將壓電薄膜貼在梁上，通過簡單速度反饋，能夠提高梁中各階模態的阻尼比，可以提升3倍以上[3]。

四、結語

綜上所述，利用智能材料建立的土木工程結構振動控制體系具有良好的效果。隨著智能材料的不斷發展，智能振動控制的前景也越來越廣闊。在當前已有的智能材料中，電/磁流變流體、形狀記憶合金、壓電材料等均適合在土木工程結構振動控制中應用。但是，對這些智能材料自身的力學特性、控制的精度、實現的方法以及控制反應的靈敏程度等均需要進一步的研究，以便為其在土木工程結構振動控制中的應用奠定基礎。

參考文獻：

[1]殷青英,翁光遠.智能材料在結構振動控制中的應用研究[J].科技導報,2009,12:93-97.

[2]張廣泰,孫樹民,韓霞.智能材料在土木工程結構振動控制中的應用[J].新疆大學學報(自然科學版),2009,04:494-497.

[3]寧學前.智能材料在土木工程結構振動控制中的應用[J].科技資訊,2011,02:38.

作者:嚴先輝 單位:南充職業技術學院