Ученые СПбГУ совместно с сотрудниками Института проблем машиноведения РАН разработали первую модель для точного прогноза защиты конструкций сплавами с памятью формы от разрушительных вибраций и сейсмических нагрузок. Результаты исследования опубликованы в… Smart Structures and Systems.
Сплавы с памятью формы — уникальные материалы, способные сохранять исходную форму и возвращаться к ней после деформации. Благодаря этому их применяют в системах защиты зданий, мостов и промышленных конструкций от вибраций и землетрясений.
Свойства этих сплавов зависят от температуры: при нагревании и охлаждении они меняют структуру, становясь то более жесткими, то более гибкими. Это позволяет настраивать их для решения разных задач: в одном режиме сплавы поглощают энергию колебаний (демпфирование), а в другом отклоняют вибрации, не пропуская их дальше (изоляция). Такая гибкость делает эти сплавы идеальными для защиты критически важных объектов инфраструктуры.
Использование СПФ расширяет возможности строительства и машиностроения. Эти материалы могут самостоятельно приспосабливаться к изменяющимся нагрузкам, увеличивая надежность конструкций. В сейсмоопасных районах здания с элементами из СПФ будут более устойчивы к землетрясениям, а промышленное оборудование меньше подвергается износу от вибраций.
В исследовании была проведена имитация одномерной колебательной системы — крутильного маятника с учетом воздействия температуры рабочей среды, теплообмена и скорости нагрузки на ее эффективность работы. Были смоделированы эксперименты, выявляющие влияние каждого из факторов на работоспособность виброзащитного устройства.
Ученый утверждает, что эти факторы существенно влияют на сплавы с памятью формы, и без них невозможно точно описать и смоделировать работу виброзащитных устройств. Эксперименты показали, что материалы ведут себя по-разному в зависимости от условий нагрева и охлаждения. При медленной деформации при постоянной температуре (например, в обычных комнатных условиях) и быстром её изменении (так, чтобы тепло не успевало уходить), разница в нагреве может достигать 20 градусов. При быстром воздействии материал становится заметно жестче.
Сплав может остывать на воздухе, тогда его поведение будет похоже на адиабатический случай. Если же подвергнуть сплав водному охлаждению, скорость теплообмена увеличится, и способность гасить вибрации станет заметно лучше. Важно учитывать скорость воздействия: при резких ударах материал хуже справляется с вибрацией. Для устранения этой проблемы можно предварительно немного охладить материал.
В управляемых системах виброзащиты наилучшие результаты показали два подхода: быстрый отвод тепла для перевода сплава в низкотемпературную фазу с высокими демпфирующими свойствами и нагрев материала до высокотемпературной фазы, а затем охлаждение до исходного состояния.
Созданная механическая модель СПФ пригодна для проектирования новых вибро- и сейсмозащитных устройств с повышенной эффективностью. Включая учет тепловых процессов, модель обеспечивает более точные результаты, что поможет разработчикам подобрать оптимальные сплавы и режимы их использования.
Модель также пригодится для создания полуактивных систем виброзащиты и программ управления ими.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ
Фото взято с сайта Freepik.