智能材料 教学课件 作者 陈英杰 9第九章.ppt

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1、智能材料第9章结构控制9.1结构控制概念简介传统的建筑结构抗震和抗风设计方法是利用自身的能力来耗散振动能量的，如加大构件的截面尺寸、增加结构刚度或提高材料的强度等级等。这种方法是极不经济的，特别是伴随着建筑高度的增加，这种立足于抵抗地震力的消极抗震思想又无法解决P-Δ效应不断增大的问题。结构控制的目的就是要采用一定的控制措施，减轻和抑制结构在地震、强风及其他动力荷载作用的动力反应，增强结构的动力稳定性，提高结构抵抗外界振动的能力，以满足结构安全性、实用性、经济性的功能要求。9.1.1结构控制的分类按照结构控制措施实施方式的

2、不同，结构控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。被动控制无需外界提供能量，而是依靠结构元件之间、结构与辅助系统之间的相互作用消耗振动能量，从而达到控制结构的目的。主动控制就是应用现代控制技术，对输入地震动和结构反应实现联机实时跟踪和预测，再按照分析计算结果应用伺服加力装置（作动器或执行器）对结构施加控制力，实现自动调节，使结构在地震过程中始终定位在初始状态附近或使某些反应尽可能小，达到保护结构免遭损伤的目的。9.1.1结构控制的分类半主动控制一般以被动控制为依托，仅需少量的能量用于改变被动控制系统的参数或工作

3、状态，以适应系统对最优状态的跟踪从而取得较好的控制效果。混合控制是将主动控制系统和被动控制系统同时施加在同一个结构上的结构控制系统．这样主动控制仅需提供较小的能量就可以有效地控制结构。9.1.2新智能材料在结构控制领域中的应用所谓“智能材料-结构系统”是指以智能材料为主导材料，具有仿生命的感觉和自我调节功能的结构系统。电流变流体（ER）和磁流变流体（MR）材料制作的耗能器类型有：MR流体转动闸耗能器、足尺单推杆MR耗能器和足尺双推杆MR耗能器等结构控制可以从两个方面利用形状记忆合金的特性。其一是利用其超弹性记忆效应——高应

4、变循环下的滞回曲线。其二是利用其温度形状记忆效应，将形状记忆合金作为温度调节的主动控制驱动装置，在混凝土构件中易产生裂缝的部位植入经预拉并有残余预应变的形状记忆合金丝，就可以得到以形状记忆合金为主导材料的裂缝自诊断和主动控制的机敏混凝土构件9.2形状记忆合金在结构控制中的运用形状记忆合金以其特有的形状记忆、超弹性、大变位、高耗能、良好耐腐蚀及耐疲劳性能等独特优势被认为是结构控制中最有前途的感知和驱动材料。结构振动控制主要利用形状记忆合金的如下三方面特性：形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼特性。在大震时，形状记忆合金表现出超弹

5、性大变形能力，有效地消耗地震能量，并可利用其记忆效应使变形恢复。9.2.1形状记忆合金用于被动控制形状记忆合金在结构被动控制中的研究主要集中在力学模型的建立以及利用形状记忆合金阻尼器抑制桥梁和框架等结构地震反应等方面，有的已在实际工程中得到应用在桥梁减振控制中，DesRoches研究了利用SMA延性阻尼器来减轻地震对桥梁产生损伤的有效性在框架结构的减震研究和应用方面，许多学者提出了相应的控制装置，并进行了试验研究。其中，Clark等和Higashino等利用NiTi合金丝的超弹性性能提出了一种适用于框架结构的SMA阻尼器的

6、设计，制作了四个参数不同的耗能阻尼器，并对一装有这种SMA阻尼器的六层框架进行了结构试验9.2.2形状记忆合金用于主动控制在主动控制方面，虽然部分学者提出了主动控制装置，但还主要集中在形状记忆合金对一维构件如梁和杆等的振动控制研究。Rogers等于1987年首次将经过特殊处理后的NiTi形状记忆合金丝复合于复合材料层合结构中，进行了一系列振动主动控制试验研究梅胜敏将经过预拉的NiTi合金丝埋入环氧树脂悬臂梁构件的上下表面制成具有主动控制功能的复合材料结构，并进行了试验。总结以上文献可看出，SMA作为一种性能优良的作动材料用

7、于主动控制主要是利用其弹性模量随温度的变化关系和SMA丝受热时产生的回复力9.2.3形状记忆合金用于智能控制由于形状记忆合金是一种性能优良的感知和驱动材料，在利用SMA材料超弹性能和形状记忆效应进行阻尼器设计的同时，一些学者开始研究利用SMA的独特性能，设计具有智能性的控制装置，实现结构的智能控制，并初步取得了一些成果。何思龙等试验发现形状记忆合金可以对结构施加较大的预应力，提高结构的强度和刚度，从而大大降低结构的静、动力反应，实现对结构的智能控制。Keith等在经过研究后指出，被动自适应方法在智能振动控制中表现出了很好的

8、应用前景9.2.4结论与展望进一步深入对形状记忆合金阻尼器性能的研究，提出实用性强、能满足实际工程需求的阻尼器设计。进一步开展形状记忆合金在各种结构减振控制中应用研究，提出实用减振手段与措施。进一步研制和开发新型的、性能稳定的形状记忆合金主动、被动控制器及智能元件，使其制作标准化；形状记忆合金与其他功能