Сотрудники Института проблем машиноведения (ИПМаш) РАН совместно с коллегами из Санкт-Петербургского
государственного университета впервые создали модель, позволяющую точно прогнозировать, как сплавы с
памятью формы будут защищать конструкции от разрушительных вибраций и сейсмических воздействий. Эти
уникальные материалы, способные «запоминать» форму, меняют свои свойства в зависимости от температуры и
скорости нагрузки. Результаты исследования опубликованы в Smart Structures and Systems.
Сплавы с памятью формы (СПФ) — это уникальные материалы, способные «запоминать» свою исходную форму и
возвращаться к ней после деформации. Благодаря этому свойству 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 под разные задачи. Например, в
одном режиме они могут поглощать энергию колебаний (демпфирование), а в другом — просто отклонять вибрации,
не пропуская их дальше (изоляция). Такая гибкость делает их идеальными для защиты критически важных
объектов.
Использование СПФ открывает новые возможности в строительстве и машиностроении. Эти материалы могут
автоматически адаптироваться к изменяющимся нагрузкам, повышая надёжность конструкций. Например, в
сейсмоопасных регионах здания с элементами из СПФ будут устойчивее к подземным толчкам, а промышленное
оборудование — меньше страдать от вибраций.
«В опубликованной работе проводилось моделирование одномерной колебательной системы — крутильного
маятника с учётом влияния ключевых факторов на температуру рабочего тела: температуры окружающей среды,
теплообмена и скорости нагружения. Были промоделированы эксперименты, выявляющие влияние каждого из
факторов на эффективность работы виброзащитного устройства», — рассказал старший
научный сотрудник ИПМаш РАН Фёдор Беляев.
Учёный отмечает, что данные факторы сильно влияют на СПФ и без них невозможно точно описать и
смоделировать работу виброзащитных устройств. В ходе экспериментов оказалось, 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
жёстче.
Большое значение имеет, как именно охлаждается сплав. Если он просто остывает на воздухе, его поведение
близко к адиабатическому случаю, когда теплообмена не происходит. Но если подвергнуть его 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.
«В итоге можно сказать, что мы разработали механическую модель СПФ, которая может использоваться при
проектировании новых, более эффективных виброзащитных и сейсмозащитных устройств. Благодаря учёту
тепловых процессов, модель позволяет получать более точные результаты, что позволит разработчикам
выбрать более подходящие сплавы и режимы их эксплуатации. Кроме того, модель позволяет разрабатывать
полуактивные системы виброзащиты и программы для их управления», — отметил Фёдор Беляев
Источник: ИПМаш
РАН.