Физики СПбГУ разработали первую модель, предсказывающую
поведение умных сплавов при вибрациях и землетрясениях Ученые Санкт-Петербургского государственного университета
совместно с коллегами из Института проблем машиноведения РАН создали первую
модель, позволяющую точно прогнозировать, как сплавы с памятью формы будут
защищать конструкции от разрушительных вибраций и сейсмических воздействий. Сплавы с памятью формы (СПФ) —
это уникальные материалы, способные «запоминать» свою исходную форму
и возвращаться к ней даже после деформации. Благодаря этому
они применяются в системах, защищающих здания, мосты и промышленные
конструкции от вибраций и землетрясений. СПФ эффективно гасят
колебания, снижая разрушительное воздействие нагрузок,
и при этом обладают высокой долговечностью.
Свойства этих сплавов зависят от температуры: при нагреве
и охлаждении они меняют свою структуру, становясь то более
жесткими, то более гибкими. Это позволяет настраивать
их для решения разных задач. Например, в одном режиме
они могут поглощать энергию колебаний (демпфирование),
а в другом просто отклонять вибрации, не пропуская
их дальше (изоляция). Такая гибкость делает эти сплавы
идеальными для защиты критически важных объектов инфраструктуры.
Так, использование СПФ открывает новые возможности
в строительстве и машиностроении. Эти материалы могут
автоматически адаптироваться к изменяющимся нагрузкам, повышая
надежность конструкций. Например, в сейсмоопасных регионах здания
с элементами из СПФ будут устойчивее к подземным толчкам,
а промышленное оборудование меньше подвергнется износу от вибраций.
«В своей работе мы провели моделирование одномерной колебательной
системы — крутильного маятника — с учетом влияния ключевых
факторов на температуру рабочего тела: температуры окружающей среды,
теплообмена и скорости нагружения. Мы промоделировали эксперименты,
выявляющие влияние каждого из факторов на эффективность работы
виброзащитного устройства», — объяснил доцент кафедры теории упругости
имени Н. Ф. Морозова СПбГУ, старший научный сотрудник
ИПМаш РАН Федор Беляев.
Ученый отмечает, что данные факторы сильно влияют на сплавы
с памятью формы, и без них невозможно точно описать
и смоделировать работу виброзащитных устройств. Эксперименты показали,
что эти материалы по‑разному ведут себя в зависимости
от условий нагрева и охлаждения. Когда сплав медленно деформируют
при постоянной температуре (например, в обычных комнатных условиях)
и когда делают это быстро (так, что тепло
не успевает уходить), разница в нагреве может достигать
20 градусов. При быстром воздействии материал становится заметно
жестче.
Также большое значение имеет, как именно охлаждается сплав. Если
он просто остывает на воздухе, его поведение близко
к адиабатическому случаю, когда теплообмена не происходит. Однако
если подвергнуть СПФ водному охлаждению, то скорость теплообмена
возрастает, и способность гасить вибрации значительно улучшается. Также
важно учитывать скорость воздействия: при резких ударах материал хуже
справляется с вибрацией, но если его предварительно немного
охладить, эта проблема исчезает.
Наилучшие результаты в управляемых системах виброзащиты показали
два подхода. Первый — быстро охлаждать сплав, заставляя
его переходить в низкотемпературную фазу с высокими
демпфирующими способностями. Второй — сначала резко нагреть материал
до перехода в высокотемпературную фазу, а затем охлаждать
до начального состояния.
«Мы разработали механическую модель СПФ, которая может
использоваться при проектировании новых, более эффективных виброзащитных
и сейсмозащитных устройств. Благодаря учету тепловых процессов
модель позволяет получать более точные результаты, что позволит
разработчикам выбрать более подходящие сплавы и режимы
их эксплуатации», — добавил Федор Беляев.
Кроме того, модель позволяет разрабатывать полуактивные системы
виброзащиты и программы для их управления. Результаты исследования опубликованы в Smart Structures and Systems.
|