磁性形状记忆合金的动力特性及结构稳定控制理论研究

针对空间杆系钢结构动力失稳的主要特点，以磁致可恢复应变大、动力响应频率高的磁性形状记忆合金特殊的物理力学性能为基础，采用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的方法，系统研究磁性形状记忆合金材料的动力性能，建立其在磁场、应力、温度等多场耦合作用下的动力本构模型；同时根据其磁控形状记忆效应和现代电磁力学原理，提出磁性形状记忆合金动力稳定监测控制系统的优化设计理论和性能评价方法，建立相应的理论分析和计算模型；并且深入研究空间杆系钢结构动力失稳的判别准则和控制理论，探讨应用磁性形状记忆合金动力稳定监测控制系统进行空间杆系钢结构动力稳定监测与控制的基本理论和应用技术，特别是空间杆系钢结构的整体动力稳定监控与局部动力稳定监控以及两者的耦合作用关系等，提出一套基于磁性形状记忆合金、较为完整且适用性较强的空间杆系钢结构动力稳定监测与控制理论。项目的研究不仅具有重要的理论意义，而且也具有广阔的工程应用前景。

3年多来，项目组紧密跟踪国内国际前沿，通过理论分析和模型试验，研究了考虑地基-基础-支撑结构-屋盖结构共同作用和多维多点输入时，空间杆系钢结构在强地震作用下的动力灾变机理和失效模式，进行了122根两种材料、17种长细比、2种类型空间杆系钢结构杆件的稳定性能试验，建立了根据杆件显式响应进行杆件失稳判别的双参数准则；研究了空间杆系钢结构损伤识别的信息融合方法，建立了相应的损伤识别决策层融合模型以及证据损耗函数和倾向因子的计算公式，提出了综合考虑先验及后验信息的证据源可信度评估方法；研究了磁性形状记忆合金（MSMA）的制备技术，自主制备了化学成分为Ni53Mn25Ga22的MSMA，进行了6组铁基形状记忆合金（FSMA）和6组MSMA本构特征的模型试验，研究了应力作用方向、磁场强度和温度等对材料作动频率的影响，建立了能够预测材料磁化行为和磁场诱发形状记忆效应的磁力学本构方程；进行了12组2种截面形式、2种建筑钢材的磁-力耦合效应试验，研究了材料的实时应力状态与其磁特性变化的一般规律，建立了相应的磁-力耦合应力感应本构模型；以国产MSMA为核心元件，研发了3种基于MSMA的空间杆系钢结构动力稳定监控系统并进行了相应的监控性能试验，提出了MSMA动力稳定监控系统的优化设计理论和性能评价方法，建立了相应的理论分析和计算模型，同时探讨了MSMA动力稳定监控系统与空间杆系钢结构或杆件的集成方法；设计制作了2个凯威特型空间网壳和2个空间钢框架试验模型结构，应用遗传算法优化了MSMA动力稳定监控系统在试验模型结构中的设置位置和数量，进行了无控时和有控时多种工况下模型结构的模拟地震振动台试验，探讨了MSMA动力稳定监控系统的监控机理和主要规律，检验了监控效果和实用性，同时研究了试验模型结构的整体动力稳定监控性能与局部动力稳定监控性能以及两者的耦合作用关系等，得出了一些具有创新意义的结论和建议。研究结果表明，课题组研发的MSMA动力稳定监控系统不仅能够明显减小模型结构水平方向及竖向的加速度响应和位移响应，其控制效果均可达到30%以上，最大可达65%左右，而且还可有效控制结构的地震响应频率和失稳区域，并且地震激励越强烈，监控系统的监控性能越好，说明课题组研发的MSMA动力稳定监控系统的工作性能稳定，适用范围较广，监控效果良好，具有较好的推广和应用前景。