智能材料在土木工程结构振动控制中的应用

智能材料在土木工程结构振动控制中的应用摘要:随着材料技术的发展,土木工程结构振动控制用传感和驱动装置也随之智能起来,其中包括:电磁流变材料、磁致伸缩材料、记忆合金材料、压电材料等,智能材料的广泛使用,帮助工程结构抵抗振动的影响。本文从振动控制的形式开始,进而介绍了主流智能材料在工程结构振动控制中的应用。

关键词:振动控制智能材料

1 土木工程中的振动控制

1.1 对结构振动的主动控制

这种控制方式主要从分析外部的能量在振动中的作用入手,找到控制的要点,然后对土木结构施加一个主动的控制力,从而实现减轻振动的目的。主动控制面对的核心问题是,对控制力的计算和控制装置的设计,广泛的采用的计算方法是通过二次型线性优化和模态优化、极值的配合或者优化、预测模式优化等等,这些控制方式都是基于对结构受力的分析和数学模拟的实现,然后对其数据所形成的线性规律进行调整,并实现优化,以此完成对振动的控制。在主动控制中,通常采用的控制方式有:质量阻尼控制形式、主动拉索控制形式、主动支撑结构形式、空气动力学设施形式、气动脉冲发生器控制等。

1.2 不完全主动控制

这样的控制形式,主要是适应性的在土木工程结构上产生抗力,来减轻振动对其的影响。和主动控制不同的是,该控制方式对结构施加的外部能量较小,在设计和维护中成本较低,而且结构简单,容易实现。在实际的应中,不完全主动控制的效果和主动控制也不相上下,所以不完全主动控制成为了研究的热点。普遍应用的不完全主动控制的形式有:质量阻尼主动参数协调系统、刚度可变结构、阻尼可变结构、刚度和阻尼综合控制系统。

1.3 智能化振动控制

智能化结构振动控制系统是土木工程振动控制的前沿技术,智能控制的主要思路就是利用智能化的优化计算配合材料的使用,实现对结构振动的智能化、应激化控制,以此让土木工程的震动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拟算法的线性调整和参数优化和通过智能材料制成可调节的阻尼装置和智能驱动器。

2 智能材料在土木工程结构振动控制中的应用

目前在智能振动控制中应用的材料有很多种类,这些材料因其不同的特性得到了不同的应用和发展。而且也取得了一定的成果,下面就是几种智能材料的应用情况。

2.1 记忆性合金材料应用

记忆性合金主要是一种对形状有“记忆功能”的金属材料,这种材料的所体现出来的环境变化特性,即能够根据环境的变化或变形、或还原,所以具备了“记忆”的功能。这种材料最早应用在航天、机器人、医疗等行业,突出的特征就是通过记忆性变形为振动控制系统提供一定的“力”,以支持系统功能实现。具体的应有体现在:(1)记忆合金振动控制系统的主要结构,分为能量消耗和隔离振动两个核心部分。(2)记忆合金的作用原理就是利用其记忆来实现“原来”形状,一旦恢复受限就会产生抗力让控制系统实现减震。(3)将记忆合金与混凝土结合,形成“智能”构件。

2.2 压电智能材料应用

这种材料的使用是从上个世纪的中期开始的,目前日趋成熟。其优点是:(1)这种材料在正反向电效应的作用下,既可以是传感器也可以是执行装置,并可以结合在一起实现功能。(2)使用中压电材料的输入和输出都是电能信号,测量和控制容易,且频率范围较宽。(3)压电材料可以适应柔性结构也,可以设置在构件的表面或者内部,设计和实现形式灵活,且功率低耗能小。

在应用中,压电材料的正电压传感器,可以实现对多种机械性变形的检测,包括应力、形变、位置变化等,在智能控制中应用普遍。压电传感器还可以因极化的形式不同,分为应变型、应力型、剪切模式型等。随着研究的深入,压电传感器、驱动器已经实现了集成化,即传感器和驱动器的一体化,可称之为自感知驱动装置,让压电材料的自适应

性得以发挥。而且,还可以将压电传感器在工程构件上进行有序的排列,并对检测到的信号进行数字化分析,从而获得构件的动态化“形象”显示,以此达到对构件的诊断、检测、评价,这就构成也以压电传感器为基础的智能化监控系统,从而实现了自感自控。

2.3 稀土磁致伸缩材料

磁致伸缩材料主要的特性就是利用磁场的变化来影响材料的伸缩,和以往的材料相比,目前研发的稀土超磁致伸缩材料具有了较为明显的优势。这种材料实际上是一种合金,这种合金在磁场的作用下会发生相对幅度较大的变化,由此产生类似于记忆性合金的抗力,从而实现对构件的振动控制。但磁致伸缩材料在功率效率、响应效果、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统、传感技术、自动化系统在土木工程中得到了广泛的应用。

2.4 电流变材料和磁流变材料的综合应用

所谓的电流变材料和磁流变材料就是利用非导电和导磁液体和其内部的导电颗粒共同作用而形成的液固混合型“材料”。作用原理是:在电场或者磁场的作用下,电磁流体内部的颗粒型导体就会形成相对稳定的纤维状结构,这种微观化的变化让电磁两极间的电磁流体改变了原有的流体性能,具有了牛顿流体性能,并且具有了屈服剪力的能力,即流体固化。

电磁流体形变特征主要有:(1)固化可逆性,电磁流体材料在电磁

场的作用下可以实现固化,而在电磁场变弱的时候也会液化,因此可以反复的使用。(2)响应的时间短,因为电磁作用的时间几乎是瞬间完成,所以其响应的时间频率可以达到毫秒量级。(3)持续性作用,在电磁场的作用下,材料可以不断的固化下去,即屈服剪力也不断随之变化。

实际的应用中,以电磁流体智能材料制成的减震装置有:挤压式、剪切式、阀体式、剪切阀式。其中土木工程中广泛使用的是剪切阀式系统。而且,该种材料还可以应用在地震、潮汐、阵风等减震系统中,以不完全主动控制的形式实现减震。其中包括:在高层超高层的抗震、超高的塔架的抗震、大跨度网络桁架的抗震。

3 结语

自然灾害和环境影响对建筑的抗震要求越来越高,因此对建筑结构的震动控制系统要求也随之提高。目前,土木工程结构振动控制中智能化材料越来越占据了主导的位置,这主要是因为其丰富的材料来源、控制形式、响应特性而决定的。在实际的应用中如可以按照工程的特性来选用最佳的智能化振动控制材料,就可以达到保证建筑的安全性,并实现成本和效果双赢目标。

参考文献

[1]薛伟辰,郑乔文,刘振勇,等.结构振动控制智能材料研究及应用进展[J].地震工程与工程振动,2006(5).