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形狀記憶合金在土木工程的應(yīng)用論文
摘要：本文主要對(duì)形狀記憶合金（SMA）的主要性能進(jìn)行分析，并且探討它在土木工程中的使用狀況，分析現(xiàn)在形狀記憶合金在土木工程范圍中存在的主要問(wèn)題和將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：形狀記憶合金；土木工程；使用價(jià)值
最近幾年，怎樣有效的提升土木工程構(gòu)造的安全性、持久性是現(xiàn)在人們普遍關(guān)注的問(wèn)題之一。通過(guò)各國(guó)學(xué)者的不斷努力和研究，針對(duì)該情況也提出了相關(guān)的解決措施，來(lái)進(jìn)一步的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)中的安全性和穩(wěn)固性。其中，因?yàn)橹悄懿牧纤诤隙傻闹悄懿牧辖Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)在土木工程的使用過(guò)程中，不但具有強(qiáng)大的吸引力，還具有鮮明的革命性�，F(xiàn)在，土木工程范圍中使用最為普遍的就是只能材料有形狀記憶合金、壓電材料、光柵光纖和磁流變體等。在豐富多樣的智能材料中，形狀記憶合金，英文名為ShapeMemoryAlloy，簡(jiǎn)稱(chēng)SMA，該材料對(duì)形狀具有一定的記憶性，該材料自身具有感知性、判斷性和自我適應(yīng)性等特征。SMA因?yàn)槠浠謴?fù)變形大、因?yàn)槭芟藁貜?fù)時(shí)可能產(chǎn)生大量的驅(qū)動(dòng)力、電阻對(duì)應(yīng)比較敏感、高阻尼性能、抗疲勞性能好，而且還可以完成多樣化的變形模式，容易和混凝土、鋼等材料融合起來(lái)，并且受到了人們的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)SMA在土木工程中的使用進(jìn)行了相關(guān)的理論探索和實(shí)驗(yàn)研究。
1SMA的主要價(jià)值
1.1形狀記憶效用（SMA）。相撞記憶效用主要表現(xiàn)在一些具有熱彈性或是引發(fā)馬氏體相變的材料存在于馬氏體狀態(tài)中，并且通過(guò)一定程度的變形，經(jīng)過(guò)加熱并超越了馬氏體相，等到溫度消失之后，材料的形狀可以恢復(fù)到之前的模樣和體積。因?yàn)椴牧嫌洃浶в酶鞑幌嗤�，主要�(jiǎng)澐譃閱纬獭㈦p程和全方位SMA，單程SMA是指材料只能進(jìn)行一次動(dòng)作，也就是加熱之后保持高溫時(shí)的狀態(tài)，并且一直維持；雙程SMA主要是指材料反復(fù)加熱和遇冷之后，能夠反復(fù)在高、低溫之間進(jìn)行變化；全方位SMA主要是指材料在保持雙程記憶的時(shí)候，如果冷卻到特別低的溫度，就會(huì)呈現(xiàn)出和高溫完全不一樣的形狀。
1.2超彈性(PE)。超彈性就是指當(dāng)SMA溫度超越奧式體變相完成溫度Af之后，加載應(yīng)力達(dá)到了彈性極限，也就出現(xiàn)了非彈性應(yīng)變，持續(xù)加載將會(huì)出現(xiàn)馬氏體相變，但是馬氏體也會(huì)因?yàn)閼?yīng)力的喪失而消失，雖然不加熱也會(huì)出現(xiàn)馬氏體逆相變，并且恢復(fù)到原來(lái)的材料狀體，也就是奧式體相，應(yīng)力效用中的整體變形也會(huì)因?yàn)槟嫦嘧兊某霈F(xiàn)而完全消失。
2形狀記憶合金在土木工程范圍中的使用狀況
2.1對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的把控。SMA在結(jié)構(gòu)振動(dòng)方面的把控，能夠有效的減輕該構(gòu)造在地震載荷中所出現(xiàn)的位移狀況，所以結(jié)構(gòu)振動(dòng)把控是SMA在土木工程范圍中的主要研究目標(biāo)�，F(xiàn)在，SMA主要是進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的把控，其研究?jī)?nèi)容主要集中在SMA在提升作動(dòng)器使用頻率方面的效用；在被控制方面主要研究使用SMA材料構(gòu)建阻尼元件和振動(dòng)隔離器。只有構(gòu)建完整的作動(dòng)元件和智能阻尼元件，才能有效的把控結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況。怎樣合理的使用SMA的特征來(lái)把控結(jié)構(gòu)振動(dòng)，尤其是把控建筑構(gòu)造在震動(dòng)效用中對(duì)SMA材料特征和效能的轉(zhuǎn)變，研究新穎的大應(yīng)變、強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力、提升響應(yīng)效率、使用穩(wěn)定性的SMA材料，這些都是國(guó)外熱切關(guān)注的研究課題。
2.2對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋和損傷進(jìn)行有效的監(jiān)控。在現(xiàn)在的工程結(jié)構(gòu)中最為主要的問(wèn)題就是裂紋和損傷的積極探索和有效的把控，也是現(xiàn)在急需要處理的問(wèn)題之一。在一些大型構(gòu)造中，其中的關(guān)鍵受力部件對(duì)裂紋和損傷的影響十分巨大，如果出現(xiàn)重要的事故問(wèn)題，使用傳統(tǒng)的技術(shù)和模式不能有效的挖掘構(gòu)建中的裂紋和應(yīng)力部位，這時(shí)就可以運(yùn)用SMA對(duì)應(yīng)變敏感、電阻率和加熱后能夠產(chǎn)生大回復(fù)力的特征，再融合微處理器，把傳感驅(qū)動(dòng)有效的結(jié)合起來(lái)，使得自動(dòng)化探索裂紋或損傷以及主動(dòng)把控裂紋拓展的控制體系得以構(gòu)建。把SMA制作成絲或是薄膜粘連在容易出現(xiàn)裂紋或應(yīng)力比較聚集的范圍，如果構(gòu)件出現(xiàn)裂紋或是損害，處在裂紋部位的SMA就會(huì)因?yàn)榱鸭y部位的伸展而出現(xiàn)位移，產(chǎn)生局部的變形狀況，影響材料電阻值的轉(zhuǎn)變。
隨著裂紋不斷的拓展和外部載荷的不斷增加，其中張開(kāi)位移的地方也在增加，其中構(gòu)建裂紋部位的SMA處的變形也會(huì)加劇，而且電阻值也會(huì)提升，其中電阻值的轉(zhuǎn)變和規(guī)律狀況，都可以通過(guò)微處理器來(lái)檢測(cè)出裂紋的狀況和位置。如果構(gòu)件的裂紋或損傷上升到需要把控的范圍，SMA的轉(zhuǎn)變信號(hào)可以經(jīng)過(guò)微機(jī)體系進(jìn)行分析研究，從而發(fā)出自動(dòng)化的控制信號(hào)，把SMA進(jìn)行通電加熱，其中的溫度超過(guò)SMA相轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)，它內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)回復(fù)效果，SMA產(chǎn)生動(dòng)作，進(jìn)行回縮。因?yàn)榱鸭y外部受到外載效用的影響，阻礙了其恢復(fù)的進(jìn)程，所以SMA就會(huì)出現(xiàn)大范圍的回復(fù)力，該回復(fù)力因?yàn)榱鸭庹归_(kāi)位移的延展，也開(kāi)始增大。該回復(fù)力使得裂尖受力的情況發(fā)生了轉(zhuǎn)變，驅(qū)動(dòng)裂紋融合起來(lái)，相應(yīng)的裂紋張開(kāi)位移也開(kāi)始縮小，需要對(duì)裂紋進(jìn)行有效的把控。在實(shí)際操作的過(guò)程中，要精簡(jiǎn)構(gòu)造，也可以運(yùn)用SMA自身的特征和偽彈性的特點(diǎn)來(lái)完成裂紋的有效把控。
3形狀記憶合金在土木工程中應(yīng)用的不足
雖然形狀記憶合金自身的性能比較獨(dú)特，但是在結(jié)構(gòu)減震控制的過(guò)程中，對(duì)它的使用也表現(xiàn)出了它的獨(dú)特性和發(fā)展趨勢(shì)，但是整體上來(lái)講，針對(duì)架構(gòu)減震中的形狀記憶合金特性的研究還不夠詳細(xì)，發(fā)展形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的過(guò)程中還存在很多的不足。
3.1SMA是驅(qū)動(dòng)器，在進(jìn)行合金的時(shí)候需要能量的耗損，并且對(duì)SMA進(jìn)行加熱或是制冷的時(shí)候，所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力都有時(shí)間的限制，所以在控制頻率上也受到了制約。如果直接利用通電的方式進(jìn)行刺激，以材料自身的電阻進(jìn)行加熱，因?yàn)楹辖鸬碾娮璨淮�，刺激它需要使用大電流、較粗的導(dǎo)線(xiàn)，所以對(duì)一些智能材料實(shí)用性不強(qiáng)。所以在減震的SMA中，該減震合金的衰減率比較小，并且衰減率和溫度與振幅密切相關(guān)，而且該功能不強(qiáng)、代價(jià)較大等因素都是制約SMA在減震中使用頻率的重要因素。所以對(duì)SMA的性能進(jìn)行深入探索，提升SMA驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度，尤其是針對(duì)結(jié)構(gòu)減震有關(guān)的性能進(jìn)行探索具有十分重要的作用。
3.2SMA功能材料的挖掘，轉(zhuǎn)變了過(guò)去的傳統(tǒng)金屬觀(guān)念，胡克定律已經(jīng)不適用于該材料。所以，為了使用該材料制造主、被動(dòng)控制器，需要對(duì)SMA的整體力學(xué)特性進(jìn)行深入探索，構(gòu)建適用于工程過(guò)程中的簡(jiǎn)化本構(gòu)模式才是處理實(shí)際問(wèn)題的重要方式。
3.3使用SMA的超彈性功能和高阻尼特征來(lái)構(gòu)建阻尼器從而有效的減輕構(gòu)造的地震反應(yīng)，并且實(shí)驗(yàn)也證明了SMA在減震和抗震方面的作用，所以需要深入探究和研究新穎的形狀記憶合金主、被動(dòng)控制器，而且運(yùn)用SMA控制器的制作準(zhǔn)則。還有，針對(duì)裝有SMA控制器構(gòu)造的減震控制效能進(jìn)行探索，SMA控制器在結(jié)構(gòu)工程中的實(shí)用性和實(shí)際工程設(shè)計(jì)探索的方法研究，SMA控制器的準(zhǔn)確性、持久性等內(nèi)容都要進(jìn)行深入探索。
4結(jié)束語(yǔ)
本文主要對(duì)SMA的主要性能和土木工程的使用前景進(jìn)行了分析。雖然形狀記憶合金的理論還需要不斷的加強(qiáng)，它在土木工程中的使用還處于探索階段，但是人們對(duì)SMA性能的研究正在不斷的深入，相信在未來(lái)的土木工程范圍中的使用價(jià)值還是十分巨大的。
參考文獻(xiàn)
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