智能材料与土木工程结构振动控制

作者:鹿雪岭 尹如霞时间:2018-07-07 09:52:36  来源:  阅读次数:18次 ]

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。文章综述了电流变体/磁流变体(ER/ MR)智能材料的基本性能,并介绍了几种智能材料在土木工程结构振动控制中的应用,并展望了今后的发展前景。

关键词:土木工程;结构振动控制;智能材料;电/磁流变体

   智能材料在土木工程结构等许多领域都有着巨大的应用潜 力。就土木工程结构而言,智能材料结构系统及其应用技术的 兴起与发展不仅意味着结构功能的增强,更重要的是对传统土 木工程的结构设计、建造、维护及使用控制等许多观念的更新。 如采用智能材料结构系统,能够真实地体现结构—控制一体化 的特征,这种振动控制系统既简化了结构,又能在地震这种不 确定性动荷载作用下,自动做出振动控制反应,增强了结构系 统的抗震能力。目前,在土木工程领域内,智能材料结构系统 的研究主要集中在以下三方面 : (1)结构健康的实时检测与监控 ; (2)形状自适应材料与结构 ; (3)结构减振抗震抗风降噪的自适应控制。

1 智能材料的类型及其特性

   智能材料系统根据其功能特点可划分为两大类 :一类是对 外界或内部的刺激强度如应力、应变及物理、化学、光、热、电、 磁、辐射等作用具有感知功能的材料,通称为感知材料。这类 材料主要有光导纤维、压电陶瓷、压电高分子材料、形状记忆 合金及其他各种类型的传感材料,其中尤以光导纤维最为重要。 另一类是能对外界环境条件或内部状态发生变化时做出响应或 驱动的材料,如形状记忆合金、压电材料、电致伸缩材料、磁 致伸缩材料、电流变体、磁流变体和功能凝胶等。这些材料可 根据温度、电场或磁场的变化而自动改变其形状、尺寸、刚度、 振动频率、阻尼、内耗及其他一些机械特性,因而可根据不同 需要选择其中的某些材料制作各种执行或驱动元件。

2 土木工程中的振动控制

   振动是工业生产和人们生活中极其常见的物理现象。振动 带来的危害不容小觑。在机械加工领域,振动会造成机械结构 的磨损,降低加工精度 ;在交通运输领域,振动会降低安全度 和舒适度 ;在航空航天领域,很多火箭发射失利是由于振动引 发的故障;在土木工程领域,振动会导致桥梁断裂、楼房倒塌、 甚至造成人员伤亡等等。鉴于振动带来的诸多危害,振动控制 已然成为学者和工程技术人员的一个迫切研究任务。

2.1 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。

2.2 不完全主动控制

   通常所说的振动控制是指振动抑制,也就是对系统的动态 响应或动不稳定性加以控制,把系统的振动水平限制在最小限 度或最小允许程度 . 经典的振动控制主要是采用阻尼、隔振和 吸振的方法实施振动控制,其结构是被动装置,因此从控制角 度看是属于被动控制。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,这种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。

2.3 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 工程的振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。

3 几种常用智能材料在土木工程结构振动控制中的应用

3.1 形状记忆合金

   近年来,随着智能结构系统的兴起和发展,形状记忆合金 机敏结构的研究发展也很迅速。形状记忆合金(SMA)这种材 料本身具有自感知、自诊断和自适应的功能。最早广泛应用于 航空航天、机器人、医疗等精密尖端领域。SMA 在土木工程 中的应用主要有以下方面 : (1)SMA 用于结构被动控制主要可以分为耗能和隔振两个 核心部分 ; (2)SMA 为驱动元件的原理是由于 SMA 能够“记住”它 在母相的形状,当形状恢复受到限制时,合金就会产生很大的 恢复力,从而对约束体产生作用。让控制系统实现减震 ; (3)SMA 智能混凝土。

3.2 压电材料

   关于压电材料的广泛应用,是从 20 世纪 40 年代中期开始 的,随着近代科学技术的发展,这些应用获得了极大的推广。 在应用中,通过压电材料的正压电效应所制成的压电传感 器,可以进行多种机械量的测量,如应力,应变,位移,加速 度等,在智能结构中应用广泛。压电传感器按极化方向的不同, 可分为应变传感器、力传感器、剪切模态传感器。随着压电传 感器与驱动器的深入研究,已经实现了用同一压电元件既作传 感器又作驱动器,即自感知驱动器,从而使压电材料具有了自 适应的特性。将压电传感器按照一定的方式安装到结构上,对 所测得的电信号进行分析,从而获得结构运营状态的各种信息, 达到对结构进行诊断、监测和评估的目的(即形成智能监测系 统),使结构成为具有自感知、自诊断的智能结构。

3.3 磁致伸缩材料

   智能材料中的磁致伸缩材料也叫超磁致伸缩材料,纯镍, NiFe,NiCo,FeAl 及 FeCo 等材料在外加磁场作用下,其尺寸、 体积等会发生改变,故称这类材料为磁致伸缩材料。与压电陶 瓷相比,磁致伸缩材料有许多优点,如变形大、驱动电压低、 弹性模量高、频响性好等,是制作大能量驱动器的良好原料。 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。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。

3.4 电流变材料和磁流变材料

   电流变体(ER)和磁流变体(MR)都是可控流体,它们 分别用不导电或不导磁的母液(常为硅油或矿物油)和均匀散 布其中的固体电解质颗粒(常为无机非金属材料、有机半导体 材料或高分子金属材料)或磁性颗粒制成的悬浮液,在电场或 磁场作用下,ER/MR 中的固体颗粒会形成一束束纤维状的链, 横架于电场或磁场的两极之间。这样,对于平行于两极的剪切 力而言,ER/MR 在电场 / 磁场的作用下,就能从流动性良好且 具有一定粘滞度的牛顿流体转变为有一定屈服剪应力的粘塑性 体,即所谓的“固化”,这种特性称为电 / 磁流变效应。 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。

4 结语

(1)对于 SMA 的研究,应尽量采用大尺寸材料进行研究 工作,并应进一步深入开展 SMA 智能混凝土的研究工作,加 快结构主动控制系统的建立 ; (2))压电智能结构理论仿真多试验验证少,应加强实验 研究和工程实用方面的探索 ; (3)ER/MR 智能材料制成的减振驱动器构造简单,制作 方便,性能可靠稳定,在土木工程结构中的使用范围广,如高 层建筑的风振和地震反应的控制,多层建筑地震反应的隔震控 制,大跨度桁架、网架的竖向地震反应的控制,悬索结构的风 振控制,海浪激励下海洋平台的振动控制等。

参考文献 :

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