新型化學(xué)智能材料對土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的影響和貢獻(xiàn)

新型化學(xué)智能材料對土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的影響和貢獻(xiàn)學(xué)院：******專業(yè)班級：******學(xué)號：******姓名：******摘要:隨著材料技術(shù)的發(fā)展,土木工程結(jié)構(gòu)振動控制用傳感和驅(qū)動裝置也隨之智能起來,其中包括:電磁流變材料、磁致伸縮材料、記憶合金材料、壓電材料等,智能材料的廣泛使用,幫助工程結(jié)構(gòu)抵抗振動的影響。本文從振動控制的形式開始,進(jìn)而介紹了主流智能材料在工程結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:振動控制智能材料1土木工程中的振動控制1.1對結(jié)構(gòu)振動的主動控制這種控制方式主要從分析外部的能量在振動中的作用入手,找到控制的要點(diǎn),然后對土木結(jié)構(gòu)施加一個主動的控制力,從而實現(xiàn)減輕振動的目的。主動控制面對的核心問題是,對控制力的計算和控制裝置的設(shè)計,廣泛的采用的計算方法是通過二次型線性優(yōu)化和模態(tài)優(yōu)化、極值的配合或者優(yōu)化、預(yù)測模式優(yōu)化等等,這些控制方式都是基于對結(jié)構(gòu)受力的分析和數(shù)學(xué)模擬的實現(xiàn),然后對其數(shù)據(jù)所形成的線性規(guī)律進(jìn)行調(diào)整,并實現(xiàn)優(yōu)化,以此完成對振動的控制。在主動控制中,通常采用的控制方式有:質(zhì)量阻尼控制形式、主動拉索控制形式、主動支撐結(jié)構(gòu)形式、空氣動力學(xué)設(shè)施形式、氣動脈沖發(fā)生器控制等。1.2不完全主動控制這樣的控制形式,主要是適應(yīng)性的在土木工程結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生抗力,來減輕振動對其的影響。和主動控制不同的是,該控制方式對結(jié)構(gòu)施加的外部能量較小,在設(shè)計和維護(hù)中成本較低,而且結(jié)構(gòu)簡單,容易實現(xiàn)。在實際的應(yīng)中,不完全主動控制的效果和主動控制也不相上下,所以不完全主動控制成為了研究的熱點(diǎn)。普遍應(yīng)用的不完全主動控制的形式有:質(zhì)量阻尼主動參數(shù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)、剛度可變結(jié)構(gòu)、阻尼可變結(jié)構(gòu)、剛度和阻尼綜合控制系統(tǒng)。1.3智能化振動控制智能化結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)是土木工程振動控制的前沿技術(shù),智能控制的主要思路就是利用智能化的優(yōu)化計算配合,材料的使用,實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)振動的智能化、應(yīng)激化控制,以此讓土木工程的震動控制更加的合理和有效。智能化控制的主要研究方向是智能模擬算法的線性調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化和通過智能材料制成可調(diào)節(jié)的阻尼裝置和智能驅(qū)動器。2智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用目前在智能振動控制中應(yīng)用的材料有很多種類,這些材料因其不同的特性得到了不同的應(yīng)用和發(fā)展。而且也取得了一定的成果,下面就是幾種智能材料的應(yīng)用情況。2.1記憶性合金材料應(yīng)用記憶性合金主要是一種對形狀有“記憶功能”的金屬材料,這種材料的所體現(xiàn)出來的環(huán)境變化特性,即能夠根據(jù)環(huán)境的變化或變形、或還原,所以具備了“記憶”的功能。這種材料最早應(yīng)用在航天、機(jī)器人、醫(yī)療等行業(yè),突出的特征就是通過記憶性變形為振動控制系統(tǒng)提供一定的“力”,以支持系統(tǒng)功能實現(xiàn)。具體的應(yīng)有體現(xiàn)在:(1)記憶合金振動控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu),分為能量消耗和隔離振動兩個核心部分。(2)記憶合金的作用原理就是利用其記憶來實現(xiàn)“原來”形狀,一旦恢復(fù)受限就會產(chǎn)生抗力讓控制系統(tǒng)實現(xiàn)減震。(3)將記憶合金與混凝土結(jié)合,形成“智能”構(gòu)件。2.2壓電智能材料應(yīng)用這種材料的使用是從上個世紀(jì)的中期開始的,目前日趨成熟。其優(yōu)點(diǎn)是:(1)這種材料在正反向電效應(yīng)的作用下,既可以是傳感器也可以是執(zhí)行裝置,并可以結(jié)合在一起實現(xiàn)功能。(2)使用中壓電材料的輸入和輸出都是電能信號,測量和控制容易,且頻率范圍較寬。(3)壓電材料可以適應(yīng)柔性結(jié)構(gòu)也,可以設(shè)置在構(gòu)件的表面或者內(nèi)部,設(shè)計和實現(xiàn)形式靈活,且功率低耗能小。在應(yīng)用中,壓電材料的正電壓傳感器,可以實現(xiàn)對多種機(jī)械性變形的檢測,包括應(yīng)力、形變、位置變化等,在智能控制中應(yīng)用普遍。壓電傳感器還可以因極化的形式不同,分為應(yīng)變型、應(yīng)力型、剪切模式型等。隨著研究的深入,壓電傳感器、驅(qū)動器已經(jīng)實現(xiàn)了集成化,即傳感器和驅(qū)動器的一體化,可稱之為自感知驅(qū)動裝置,讓壓電材料的自適應(yīng)性得以發(fā)揮。而且,還可以將壓電傳感器在工程構(gòu)件上進(jìn)行有序的排列,并對檢測到的信號進(jìn)行數(shù)字化分析,從而獲得構(gòu)件的動態(tài)化“形象”顯示,以此達(dá)到對構(gòu)件的診斷、檢測、評價,這就構(gòu)成也以壓電傳感器為基礎(chǔ)的智能化監(jiān)控系統(tǒng),從而實現(xiàn)了自感自控。2.3稀土磁致伸縮材料磁致伸縮材料主要的特性就是利用磁場的變化來影響材料的伸縮,和以往的材料相比,目前研發(fā)的稀土超磁致伸縮材料具有了較為明顯的優(yōu)勢。這種材料實際上是一種合金,這種合金在磁場的作用下會發(fā)生相對幅度較大的變化,由此產(chǎn)生類似于記憶性合金的抗力,從而實現(xiàn)對構(gòu)件的振動控制。但磁致伸縮材料在功率效率、響應(yīng)效果、地域性能等方面都有良好的性能。因此,磁控制型的位置控制系統(tǒng)、傳感技術(shù)、自動化系統(tǒng)在土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用。2.4電流變材料和磁流變材料的綜合應(yīng)用所謂的電流變材料和磁流變材料就是利用非導(dǎo)電和導(dǎo)磁液體和其內(nèi)部的導(dǎo)電顆粒共同作用而形成的液固混合型“材料”。作用原理是:在電場或者磁場的作用下,電磁流體內(nèi)部的顆粒型導(dǎo)體就會形成相對穩(wěn)定的纖維狀結(jié)構(gòu),這種微觀化的變化讓電磁兩極間的電磁流體改變了原有的流體性能,具有了牛頓流體性能,并且具有了屈服剪力的能力,即流體固化。電磁流體形變特征主要有:(1)固化可逆性,電磁流體材料在電磁場的作用下可以實現(xiàn)固化,而在電磁場變?nèi)醯臅r候也會液化,因此可以反復(fù)的使用。(2)響應(yīng)的時間短,因為電磁作用的時間幾乎是瞬間完成,所以其響應(yīng)的時間頻率可以達(dá)到毫秒量級。(3)持續(xù)性作用,在電磁場的作用下,材料可以不斷的固化下去,即屈服剪力也不斷隨之變化。實際的應(yīng)用中,以電磁流體智能材料制成的減震裝置有:擠壓式、剪切式、閥體式、剪切閥式。其中土木工程中廣泛使用的是剪切閥式系統(tǒng)。而且,該種材料還可以應(yīng)用在地震、潮汐、陣風(fēng)等減震系統(tǒng)中,以不完全主動控制的形式實現(xiàn)減震。其中包括:在高層超高層的抗震、超高的塔架的抗震、大跨度網(wǎng)絡(luò)桁架的抗震。3結(jié)語自然災(zāi)害和環(huán)境影響對建筑的抗震要求越來越高,因此對建筑結(jié)構(gòu)的震動控制系統(tǒng)要求也隨之提高。目前,土木工程結(jié)構(gòu)振動控制中智能化材料越來越占據(jù)了主導(dǎo)的位置,這主要是因為其豐富的材料來源、控制形式、響應(yīng)特性而決定的。在實際的應(yīng)用中如可以按照工程的特性來選用最佳的智能化振動控制材料,就可以達(dá)到保證建筑的安全性,并實現(xiàn)成本和效果雙贏目標(biāo)。參考文獻(xiàn)[1]薛偉辰,鄭喬文,劉振勇,等.結(jié)構(gòu)振動控制智能材料研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].地