Иллюстрация сгенерирована нейросетью «Кандинский» 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.
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.
Пресс-служба СПбГУ
