Сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета и Института проблем машиноведения РАН разработали первую модель, которая позволяет с высокой точностью предсказывать, как сплавы с памятью формы будут обеспечивать защиту конструкций от разрушительных вибраций и сейсмических нагрузок. О результатах исследования сообщается в Smart Structures and Systems.
Сплавы с памятью формы (СПФ) — это особые материалы, которые обладают способностью сохранять свою первоначальную форму и восстанавливать ее, даже если они были деформированы. Эта особенность позволяет использовать их в системах, предназначенных для защиты зданий, мостов и промышленных сооружений от вибраций и сейсмических воздействий. СПФ эффективно поглощают колебания, уменьшая разрушительное действие нагрузок, и отличаются высокой прочностью.
Характеристики данных сплавов чувствительны к температуре: при изменении температуры они модифицируют свою структуру, приобретая либо повышенную жесткость, либо большую гибкость. Это позволяет адаптировать их для выполнения различных функций. Так, в одних условиях они способны поглощать энергию колебаний, а в других – эффективно блокировать вибрации, предотвращая их распространение. Благодаря такой адаптивности, эти сплавы идеально подходят для защиты важнейших элементов инфраструктуры.
Применение самоподдерживающихся формирующихся материалов (СПФ) расширяет горизонты в строительной и машиностроительной отраслях. Данные материалы способны самостоятельно адаптироваться к переменным нагрузкам, что способствует повышению надежности конструкций. В частности, в районах с высокой сейсмической активностью здания, включающие элементы из СПФ, демонстрируют большую устойчивость к землетрясениям, а промышленное оборудование меньше подвержено износу, вызванному вибрациями.
«В рамках исследования было проведено моделирование одномерной колебательной системы, а именно крутильного маятника, с учетом влияния основных факторов, воздействующих на температуру рабочего тела: температуры окружающей среды, теплообмена и скорости нагружения. Как пояснил доцент кафедры теории упругости имени Н.Ф. Морозова СПбГУ, старший научный сотрудник ИПМаш РАН Федор Беляев, были смоделированы эксперименты, целью которых являлось определение влияния каждого из факторов на эффективность работы виброзащитного устройства.
Ученый подчеркивает, что указанные факторы оказывают значительное воздействие на сплавы с памятью формы, и без учета их невозможно точно описать и смоделировать работу виброзащитных устройств. Экспериментальные исследования продемонстрировали, что поведение этих материалов меняется в зависимости от режимов нагрева и охлаждения. Например, при медленной деформации при постоянной температуре, как, например, в условиях обычной комнаты, и при быстрой деформации (когда тепло не успевает рассеиваться), разница в нагреве может составлять до 20 градусов. Под воздействием быстрого нагрева материал становится ощутимо более жестким.
Охлаждение сплава играет важную роль. Остывание на воздухе приближается к адиабатическому процессу, при котором теплообмен отсутствует. Однако водному охлаждению подвергаемый СПФ демонстрирует более высокую скорость теплообмена и существенно улучшает способность к демпфированию вибраций. Кроме того, необходимо учитывать скорость воздействия: резкие удары ухудшают способность материала справляться с вибрацией, однако предварительное охлаждение позволяет решить эту проблему.
Два подхода продемонстрировали наиболее эффективные результаты в системах виброзащиты. Первый заключается в быстрой заморозке сплава, что приводит к переходу в низкотемпературную фазу, характеризующуюся повышенными демпфирующими свойствами. Второй предполагает первоначальный резкий нагрев материала для перехода в высокотемпературную фазу, после чего следует охлаждение до исходного состояния.
«Для проектирования новых, более эффективных виброзащитных и сейсмозащитных устройств была разработана механическая модель СПФ. Учет тепловых процессов позволяет получать более точные результаты, что, по словам Федора Беляева, даст возможность разработчикам выбирать оптимальные сплавы и режимы их эксплуатации.
Модель также обеспечивает возможность создания полуактивных систем виброзащиты и разработки программного обеспечения для их функционирования.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ