智能材料与土木建筑.ppt

主讲内容 智能材料 智能建筑 概念大楼 智能材料的特征 什么是智能材料 智能材料的构成 现代土木结构与智能建筑 GEOtube概念大楼 智能材料的分类 施工工地现状 智能材料是二十世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料 智能材料目前还没有统一的定义 不过 现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异 大体来说 智能材料就是指具有感知环境 包括内环境和外环境 刺激 对之进行分析 处理 判断 并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料 具体来说 智能材料需具备以下内涵 1 具有感知功能 能够检测并且可以识别外界 或者内部 的刺激强度 如电 光 热 应力 应变 化学 核辐射等 2 具有驱动功能 能够响应外界变化 3 能够按照设定的方式选择和控制响应 4 反应比较灵敏 及时和恰当 5 当外部刺激消除后 能够迅速恢复到原始状态 智能材料的构想来源于仿生学 它的目标就是想研制出一种材料 使它成为具有类似于生物的各种功能的 活 的材料 因此智能材料必须具备感知 驱动和控制这三个基本要素 智能材料的特征因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计 所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征 传感功能 Sensor 能够感知外界或自身所处的环境条件 如负载 应力 应变 振动 热 光 电 磁 化学 核辐射等的强度及其变化 2 反馈功能 Feedback 可通过传感网络 对系统输入与输出信息进行对比 并将其结果提供给控制系统 智能材料的特征 3 信息识别与积累功能能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来 4 响应功能能够根据外界环境和内部条件变化 适时动态地作出相应的反应 并采取必要行动 5 自诊断能力 Self diagnosis 能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况 对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正 智能材料的特征 6 自修复能力 Self recovery 能通过自繁殖 自生长 原位复合等再生机制 来修补某些局部损伤或破坏 7 自调节能力 Self adjusting 对不断变化的外部环境和条件 能及时地自动调整自身结构和功能 并相应地改变自己的状态和行为 从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应 智能材料的构成一般来说智能材料由基体材料 敏感材料 驱动材料和信息处理器四部分构成 图所示为智能材料的基本构成和工作原理 现代土木结构与智能建筑 现代结构是传统结构的功能的升华 现代结构在土木结构中的应用便称之为现代土木结构 结构将能进行参数 如应变 损伤 温度 压力 声音 化学反应 的检测及检测数据的传输 具有一定的数据实时计算处理能力 包括人工智能诊断推理 以及初步改变结构应力分布 强度 刚度 形状位置等能力 简言之 即使结构具有自诊断 自学习 自适应 自修复的能力 这就是现代土木结构概念的形成过程 现代土木结构与智能建筑 现代土木结构分类现代土木结构按其材料可分为两种类型 分述如下 1 嵌入式现代土木结构属于这种类型的智能结构只需对传统土木结构加以改进即可 无须额外研究结构的传统力学性能 易于做到传统结构与智能结构的平稳过渡 故而成为研究的焦点 2 基体 智能材料耦合结构按照结构智能化目的的不同 又可将其分为如下几类 具有裂缝自诊断和自愈合功能的智能混凝土结构 具有应力应变状态自诊断功能的智能混凝土结构 具有变形 损伤自诊断功能的智能混凝土结构 具有疲劳寿命预报能力的现代土木结构 具有监测钢筋或钢构件锈蚀状态能力的现代土木结构 具有感知和自我调节功能的智能减振 桥梁 结构 各类智能材料在建筑和结构工程领域中的应用 将微型传感元件 微型计算机芯片 形状记忆合金 电流变体及压电材料等经设计后复合在结构体中 可研制出带有感知及判断能力 可自动加固及防护的自适应性智能结构 实现在线监测 自诊断 自预警 自修复 防止灾难性事故的发生 1 压电材料 力的测量 制成力传感器 压力传感器常用的压电材料 石英晶体和压电陶瓷 特点 结构简单 体积小 重量轻 使用寿命长 应用 桥梁和建筑的振动和冲击测量等 2 Ti Ni基形状记忆合金 3 形状记忆聚合物应用 异型管接合材料仪器内部线路集合 线路终端的绝缘保护 通讯电缆的接头防水 钢管线路结合处的防护等工程 各类智能材料在建筑和结构工程领域中的应用 4 磁流变液1948年提出磁流变液概念20世纪50年代 80年代发展缓慢 进入20世纪90年代 重新焕发生机电流变液的问题 剪切屈服强度提高幅度不大电压过高磁流变液特点 体积小 功耗少 屈服强度 阻尼力 大 动态范围广 频率响应高 适用面大 能根据系统的振动特性产生最佳阻尼力 各类智能材料在建筑和结构工程领域中的应用 5 电致变色材料无机电致变色材料有NiO WO3 近年来利用薄膜材料的电致变色特性制造了 电开关 自动控制灵巧窗 用于建筑采光等 电致变性材料还可以用作在地震时能自动加固建筑物的基础 在地震多发区应用智能结构的建筑物通过振动控制 将大大提高建筑物的抗震性 各类智能材料在建筑和结构工程领域中的应用 各类智能材料在建筑和结构工程领域中的应用 含有光纤传感器的智能复合材料复合材料中埋入光纤传感器和执行器是应用前景最广 技术基础最成熟的一种智能材料 智能结构 大型智能构件 如桥梁 建筑物 大坝的水泥预制件 测量 结构的载荷大小 振动幅度 温度和应力分布 应变 扭曲 蠕变 层解 微裂及其它损伤用于 载荷引起的结构疲劳和地震灾害预测等军用及民用大型设施 施工工地现状 GEOtube概念大楼 GEOtube概念大楼 GEOtube概念大楼 GEOtube概念大楼 GEOtube概念大楼 GEOtube概念大楼 正如建筑业是国民经济各部门原