形状记忆合金材料在索杆结构振动控制中的应用

摘要

形状记忆合金材料(shape memory alloys)在许多工程领域都具有巨大的应用潜力.形状记忆合金材料应用技术的兴起与发展不仅意味着结构功能的增强,结构使用效率的提高和结构设计型式的优化,更重要的是对传统土木工程的结构设计、建造、维护及使用和控制等许多观念的更新.在土木工程领域内,形状记忆合金材料主要在以下三个方面的应用研究最受重视:①结构健康的实时检测与监控.这主要是指将先进的传感元件和驱动元件集成在传统的土木工程结构中,利用它们构成的网络对结构的裂缝、损伤、疲劳、冲击、缺陷、腐蚀等状态进行实时监测和控制,以确保重大土木工程结构和基础设施的安全可靠,降低其维修费用.②结构减震抗震抗风的自适应控制.结构的动力响应控制一直是土木工程设计中的一个非常重要的问题,特别是对于高层建筑和桥梁等大型土木工程结构的抗震抗风的控制更是如此,而智能材料结构系统的研究与开发应用就可为之提供一个更为有效的新途径,从而使结构的自适应控制成为可能.③形状自适应结构.形状记忆合金材料的研究与出现不仅可使土木工程设计人员所期盼的自适应结构的诞生成为可能,而且更重要的是它代表着先进的新型材料与传统的土木工程结构相结合这一重大的学科研究发展方向,许多问题既富有挑战性又具有重大的科学意义,其研究成果将使土木工程这一古老的学科发生一次前所未有的重大变革,从而给土木工程的应用和发展带来勃勃生机,以满足人们日益提高的生存水准和环境生态要求.自适应不仅具有承受荷载和传递运动的能力,同时还兼有检测(应力、应变、裂缝、损伤、温度等)、动作(改变结构内部应力应变分布和结构外形及位置等)和改变结构特性(结构阻尼、固有频率、光学特性、周围电磁场分布)等诸多智能功能,因此其应用前景将来非常广阔.该文介绍了形状记忆合金这一特殊功能性材料的相变机制和基本特征,阐述了形状记忆合金材料的形状记忆效应、相变伪弹性性能,特别是形状记忆合金材料的本构关系及其在工程结构振动控制中的应用,如基于唯象理论的本构模型、相变伪弹性恢复力特征、应用形状记忆合金材料进行结构抗震控制的基本理论和方法等.第一章介绍了形状记忆合金材料的变形机制和基本特性.第二章讨论了形状记忆合金材料的本构关系,重点探讨了基于唯象理论的Tanaka系列本构模型,提出了分段线性化本构关系,给出了基于分段线性化模型的计算方法.第三章主要结合经典非线性理论,提出了形状记忆合金材料的非线性计算方法.第四章和第五章分别提出了形状记忆合金材料在索杆体系中的被动控制和主动控制.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1形状记忆合金材料的发展概况

1.2形状记忆合金材料的基本概念和主要特点[9-12]

1.2.1马氏体相变的基本特征

1.2.2热弹性马氏体相变

1.2.3马氏体变体

1.2.4应力诱发马氏体相变

1.2.5形状记忆效应

1.2.6相变伪弹性

1.2.7形状记忆效应的应变恢复机制

1.3形状记忆合金在土木工程领域的应用研究现状[10,11]

1.3.1形状记忆合金材料的本构模型研究

1.3.2形状记忆效应在土木工程领域中的应用研究

1.3.3相变伪弹性效应在土木工程领域中的应用研究

1.3.4阻尼特性和电阻特性在土木工程领域中的应用研究

1.4 NITI合金的形状记忆处理[13-17]

1.4.1单程形状记忆效应的记忆处理方法

1.4.2双程记忆效应的记忆处理

第二章形状记忆合金的的本构关系

2.1基于塑性力学的本构模型

2.2细观力学本构模型

2.3基于唯象理论的本构模型

2.3.1 Tanaka模型[26]

2.3.2 Brinson模型[29,30]

2.3.3形状记忆合金的热滞回线及相变运动方程[9]

2.4 SMA合金分段线性化本构关系

2.4.1线性化本构模型[31-34]

2.4.2 SMA索杆刚度方程的建立

2.4.3解析过程及算例

第三章含SMA拉索的索杆体系的非线性分析

3.1几何非线行问题的概述[8]

3.2空间杆单元的切线刚度矩阵[35-37]

3.2.1.形函数矩阵

3.2.2.几何方程及几何矩阵

3.2.3.物理方程

3.2.4.切线刚度矩阵

3.3 SMA拉索单元的计算

3.4含SMA拉索单元的索桁架单节段计算

第四章含SMA拉索的索桁体系被动控制

4.1我国工程结构振动控制研究概述

4.2含SMA拉索的索桁体系振动控制的基本原理和方法

4.3含SMA拉索结构的动力方程

4.4动力方程的求解[45]

4.5算例

第五章含SMA拉索的索杆体系主动控制

5.1概述

5.2 NITI形状记忆合金基本驱动特性[47-54]

5.2.1预应变NiTi合金丝在加热、冷却过程中的回复力

5.2.2预应变NiTi合金丝卸载过程中应力应变关系

5.2.3相变滞后过程中卸载应力与应变关系

5.2.4冷却相变过程中卸载应力与应变关系

5.3回复力模型[54]

5.4形状记忆合金拉索主动控制结构地震响应的基本原理和方法

5.5含SMA合金拉索结构的动力方程

5.6动力方程的求解

5.7算例

致谢

参考文献

作者在硕士期间发表的论文：