Ученые Института проблем машиноведения (ИПМаш) РАН, совместно с коллегами из СПбГУ, 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 SmartStructuresandSystems.

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 надежность 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 учетом 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”, — сказал старший научный сотрудник ИПМаш РАН Федор Беляев.

Ученый 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 жестче.
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 учету 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”, — сказал Федор Беляев