SMA在結構振動控制中的應用

譚亞偉武漢建工科研設計有限公司（430000）

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SMA在結構振動控制中的應用

譚亞偉
武漢建工科研設計有限公司（430000）

摘要:這里主要介紹了形狀記憶合金的本構關系，分別從結構的被動控制及智能控制三個方面系統總結了形狀記憶合金的研究應用現狀，最后指出了需進一步研究的問題和方向。

關鍵詞:形狀記憶合金；振動控制；被動控制

0引言

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱SMA）是一種兼有感知和驅動功能的智能材料。所謂形狀記憶是指材料在一定的條件下能夠恢復到過去曾具有的形狀。由于具有形狀記憶效應、超彈性效應、相變滯后、高阻尼和電阻突變等獨特的性能，目前SMA已廣泛應用于電子儀器、汽車工業、醫療器械和航空航天等領域，并在土木工程結構振動控制領域表現出廣闊的工程應用前景。

1形狀記憶合金的本構關系

對SMA特殊力學行為的描述和解釋,目前已經發展了幾類本構模型[1]。其中，唯象理論本構模型具有實驗觀察基礎、表達形式簡單、模型參數容易確定等優點,目前在SMA智能復合材料在結構的分析應用中發揮著重要的作用。唯象理論本構模型大體分為兩個系列:一是Tanaka模型系列，另一個是帶有塑性理論特點的模型系列[1]。

2形狀記憶合金在結構振動控制中的研究應用

結構振動控制主要利用形狀記憶合金的如下三方面特性:形狀記憶效應、超彈性效應和高阻尼特性。利用這種材料制成的耗能阻尼器安裝在機械、建筑及橋梁結構上，可以減輕各種因素所造成的振動反應,實現工程結構的振動控制。

2.1被動控制

利用形狀記憶合金的超彈性特性具有高阻尼且經較大變形后能恢復的特點，可以制作成振動被動控制耗能阻尼器。目前,以形狀記憶合金絲繞制的拉壓型阻尼器居多，這是由于絲材在反復荷載作用下，由應力誘發馬氏體相變變化較均勻，且相變過程中所產生的熱量散失較快。

在被動控制阻尼器中，最典型的就是CT阻尼器。這種阻尼器提供了一個數值不變的庫侖抵抗力,且剛度始終接近于零。只要環境溫度T>Af(保證超彈性工作階段)，那么溫度變化對阻尼器承載力的影響可以忽略。另外，阻尼力的大小是不變的，因此振動頻率的影響也可不考慮。這兩點使得CT阻尼器的性能大大優于常規的黏彈性阻尼器。

2.2智能控制

形狀記憶合金是一種性能優良的感知和驅動材料。在利用SMA材料超彈性性能和形狀記憶效應進行阻尼器設計的同時，一些學者開始研究利用SMA的獨特性能，設計具有智能性的控制裝置，實現結構的智能控制，并初步取得了一些成果。

何思龍[2]等在一根鋼筋混凝土簡支梁中預埋了預應變為1.8%的形狀記憶合金，通過自動加熱系統用不同電流將形狀記憶合金加熱至各種設定溫度，然后考察梁在定值靜荷載和定值沖擊荷載下的反應。試驗結果表明，形狀記憶合金可以對結構施加較大的預應力，提高結構的強度和剛度，從而大大降低結構的靜、動力反應，實現對結構的智能控制。

3結語

從國內外的研究和應用情況來看,利用SMA的特性制作的振動控制器具有抗疲勞性好、抗腐蝕強、無液體滲漏、可恢復變形大及性能穩定等優點。但要真正使形狀記憶合金材料在土木工程結構振動控制領域走向實用化，還需要進行較大尺寸的SMA板材、棒材及塊材力學性能的試驗研究，為足尺形狀記憶合金阻尼器的設計提供理論依據，開發出性能穩定、可靠性高的形狀記憶合金阻尼器,并形成標準化的制作規范。

參考文獻:

[1]王社良,蘇三慶,沈亞鵬.形狀記憶合金拉索被動控制結構地震響應分析[J].土木工程學報,2000,33(1):47- 51.

[2]何思龍,黃應生,陳孟詩,等.形狀記憶合金增強鋼筋混凝土自診斷與自適應智能結構系統的研究[C].1996中國材料