记忆合金材料创新实验的教学研究及应用
智友海+史向平
[摘 要]结合工程力学的实验教学内容，以创新性为驱动力，进行了有关记忆合金材料在试验中的开发和建筑工程的应用研究，设计出了自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器、绳索式自复位形状记忆合金隔震减震支座、曲线型后张式形状记忆合金筋预应力混凝土结构三种建筑结构的创新方案，实验结果表明，设计的装置抗震和抗弯性能好，同时还具有工艺简单，操作方便，效果突出，安全可靠，适用范围广等优点，解决了传统技术和材料在应用中存在局限性。
[关键词]形状记忆合金；建筑结构；拉扭组合试验；拉剪组合试验；抗弯试验
[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）08-0096-03
一、概论
工程力学是力学的一个基础分支，又可直接应用于许多工程实际问题的解决。作为工科重要的技术基础课，其目的和任务是使培养科技人员了解和掌握物体的一般规律及其研究方法，并能初步运用这些规律对一些实际问题进行分析、科学地抽象，为日后学习和研究有关的科学技术打好基础，并初步学会应用工程力学的理论和方法解决一部分工程实际问题。简单地说，工程力学就是为解决问题和分析问题的一门利器，是培养具有创新精神和实践能力的必备法宝。此外，工程力學已广泛应用于建筑、机械、航空航天等众多领域中，在工程设计中都必须要用到工程力学的相关知识。
工程力学课程主要包括理论知识和实验两大部分，其中实验内容是该课程的基础，换句话说，理论知识是实验或实践中规律的高度总结。因此，工程力学中实验课程的教学改革工作一直是高校教学中不断探讨的主题。宋克志[1]设计了材料力学开放实验教学平台的总体框架，激发了学生学习热情，增强了学生实践动手能力；牟萍[2]介绍了材料力学设计性实验，阐述了设计实验对提高学生创新能力的作用，尝试将设计性、综合性、研究性实验融为一体的教学模式；方治华论述了材料力学实验教材在培养学生创新能力中的重要作用；刘小蛮[3]结合高校工程师教育和综合型人才培养模式，使不同专业的学生对材料力学实验的内容做到“三会”，即：会做、会用、会意；夏兴有[4]采取搭建公共实验教学、学生创新和学生课外竞赛三个实验教学平台的做法及取得的教学效果。
文中以工程力学基本实验为背景，以培养学生分析实际问题和解决实际问题的能力为出发点，以提高学生的创新性和应用性为目标，进行一种新型记忆合金 （简记SMA） 材料在试验教学中的开发和建筑工程的应用研究。SMA是一种新型的智能/功能材料，利用SMA的超弹性效应和高阻尼特性可以制作减、隔震装置，抑制结构在地震荷载下的响应。围绕工程力学的基本实验内容，进行了有关SMA材料的四个（拉压、扭、剪、弯）内容的创新实验应用。
二、SMA材料的三种创新设计方案
（一）SMA材料在拉扭组合实验中创新设计方案
以提高学生的创新性和应用性为目标，使学生具有利用工程力学实验内容解决工程中轴向拉压和扭转的问题，本方案设计了一种记忆合金材料的拉扭组合实验，该实验的设计方案和教学内容分别如下：
实验方案涉及一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器及其方法，即为拉扭组合实验方案，如图-1，可用于抗震网架系统或工程构筑物中，属于建筑结构技术领域。该消能阻尼器主要包括抗拉压装置（如图-1中1）和抗扭部分（如图-1中2），这两部分均是由SMA丝、缸筒、活塞组成，抗拉活塞的两侧分别通过两组合金丝与抗拉缸筒两侧的缸盖相连，抗扭活塞分别通过抗扭合金丝与抗扭缸筒相连，每一组合金丝的一端通过夹头固定在活塞的螺孔处，另一端用夹头连接在缸筒的螺孔处。用于自复位隔振减振消能，其轴向振动波通过多根合金丝由合金阻尼器的一端传到另一端，在抗拉活塞作往复运动中，合金丝交替进行拉伸与回缩变形，提供了较大的滞回耗能及回复力，而其它方向振动波所带来的扭矩载荷则通过抗扭合金丝由结构的一端传到另一端，在抗扭活塞作往复转动中，合金丝交替进行拉伸与回缩变化，由于合金丝的超弹性变形以及产生的回复力，不但达到了隔震减震的目的，而且获得了振后结构自复位的能力。设计方案具有抗拉压消能特性，同时具备了抗扭消能特性，避免振动过程中，抗拉压合金丝因扭转而发生弯曲的不利影响，能够提高拉压合金丝的消能效果，达到良好的隔振减振目的。
具体的教学内容是将上述制作的自复位抗拉扭镍钛合金阻尼器，安装在万能试验机上，进行三类简单的加载和卸载试验：一是单向拉伸试验，外力和线位移间的试验数据（如图2a）；二是单向扭转试验，外力和扭角间的试验数据（如图2b）；三是拉扭组合试验，外力和位移间、应变量和回复力之间的试验数据（分别如图2c和d）。这些数据均表明了SMA丝具有良好的消能特性，以及优良的耗能迟滞环和高回复能力。将上述制作的阻尼器，安装在某一工程结构的抗振支撑处，隔振减振效果很好。
（二）SMA材料在拉剪组合实验中创新设计方案
为了使学生具有解决工程中轴向拉压和剪切的问题，本方案设计了一种记忆合金材料的拉剪组合实验，该实验的设计方案和教学内容分别如下：
实验方案设计的目的是为了解决建筑结构和机械结构隔震减震的问题，而提出一种绳索式自复位形状记忆合金隔震减震支座及隔震减震的方法，即为拉剪组合实验方案，如图3。本方案对比已有技术具有四大显著突出优点：一是绳索式特点显著；二是多向抗震效果明显；三是自复位能力突出；四是结构形式简单，功能齐全，既可以单独作为抗拉压阻尼器使用，又可以单独作为抗剪阻尼器使用，两者的隔震减震能力互不影响和制约。它可以广泛地应用于建筑结构隔震减震支座设计中，属于建筑结构技术领域。
该实验方案主要包括抗剪装置（如图3中1）和抗拉压构件（如图3中2），该消能阻尼器主要包括SMA丝绳、缸筒、活塞、定向滑道。其中，抗剪装置的缸筒与滑道上的立柱通过抗拉合金丝绳连接在一起，这些合金丝绳在缸筒内对称布置，每一根合金丝绳的一端用夹头固定在立柱上，另一端通过夹头连接在缸筒的内壁处；横向滑道和活塞通过钢杆连接在一起，并在横向缸筒下端安装有万向轮；对于抗拉压结构来说，其活塞的上下两侧分别通过合金丝绳与缸筒的上下缸盖相连，每一根合金丝绳的一端固定在活塞的一侧，另一端连接在缸筒缸盖的一侧，同时在竖向缸筒内设有轴向滑道和偏置弹簧。此实验方案将横向震动波通过抗剪装置中的合金丝绳交替拉伸与回缩变形，提供了较大的耗能及回复力，而竖向震动波将通过抗拉压构件的丝绳和偏置弹簧进行拉伸与回缩变形，在发生弹性变形的过程中，消耗了大量的震动能量并提供了足够的回复力，所以此支座装置不但達到了隔震减震的目的，而且获得了震后自复位的能力。
具体的教学内容是将上述制作记忆合金隔震减震支座，安装在万能试验机上，进行三类简单的加载和卸载试验：一是单向拉压试验，试验数据（类似如图2a）；二是单向剪切试验，试验数据（类似如图2b）；三是拉剪组合试验，试验数据（类似如图2c）。实验数据均表明此类支座的抗拉压、抗剪效果好，自复位能力强。另外，将上述制作的记忆合金隔震减震支座，安装在一工程结构的支撑处，隔震减震效果很好。如图-4对比了普通支座和本创新实验支座的隔震减震效果，这说明此创新实验支座的自动恢复能力强，位移和应力波动小，延缓并降低了震动波的危害，这表明利用SMA材料的超弹性效应、高阻尼性及结构的设计特点，可以较大程度地抑制结构在多向震动的响应。
（三）SMA材料在抗弯实验中创新设计方案
为了使学生具有利用工程力学实验内容解决弯曲的工程问题，在混凝土构件承受使用荷载前的阶段，借助其它外部装备预先对其受拉区施加压应力，而当构件承受使用荷载而产生弯曲拉应力时，将会抵消混凝土的预压应力，借此可推迟混凝土裂缝的出现和开展，以满足使用要求。依据此原理，我们设计了一种记忆合金材料预应力混凝土结构的实验，该实验的设计方案和教学内容分别如下：
实验方案是一种曲线型后张式SMA筋预应力混凝土结构，如图5，方案主要包括SMA筋（如图5中1）和混凝土（如图5中2），此种实验方案具有多个显著实用优点，适用于建筑施工工艺的体系，属于建筑结构技术领域。
实验方案设计的实际上是一种SMA筋预应力混凝土构件，适合于各种形状的混凝土构件，该合金筋预应力混凝土是在传统钢筋预应力混凝土的基础上吸取SMA材料的优点，把原混凝土的预应力钢筋替换为SMA筋，这样预应力就不必依靠台座或专业锚具来施加，而是简单地可以通过对SMA筋进行升温即可达到目的。同时通过现场实验实测出数据，如图-6，也表明了设计的可行性。因此，此实验方案对现场浇筑或预制预应力混凝土施工来讲，其工艺和设备简单、操作方便、安全可靠，且所需技术人员专业水平低，所以SMA筋预应力混凝土结构不仅提高了预应力结构的抗裂度、刚度、耐久性，而且其施工工艺简单可靠、投资和造价费用低。
三、结论
以工程力学基本实验为背景，从培养学生分析实际问题和解决实际问题的能力为出发点，设计了三种有关SMA材料的建筑工程创新设计方案：SMA材料在拉扭实验、拉剪实验、抗弯实验。这些设计方案实际应用效果突出，解决了传统技术和材料在应用中存在局限性。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 宋克志，周庆坡，吴江龙.材料力学开放实验教学平台建设探讨[J].高等建筑教育，2012（2）：115-117.
[2] 牟萍，谢晓梅，文宁.材料力学设计性实验的设计与实现[J].实验技术与管理，2007（4）：106-107.
[3] 刘小蛮，杜国君.材料力学实验教学思考——会做、会用、会意[J].力学与实践，2013（4） 74-77.
[4] 夏兴有，张学义，邹广平.材料力学研究型实验教学的实践[J].实验室科学，2008（4）：42-44.
[特约编辑：张 雷]
[摘 要]结合工程力学的实验教学内容，以创新性为驱动力，进行了有关记忆合金材料在试验中的开发和建筑工程的应用研究，设计出了自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器、绳索式自复位形状记忆合金隔震减震支座、曲线型后张式形状记忆合金筋预应力混凝土结构三种建筑结构的创新方案，实验结果表明，设计的装置抗震和抗弯性能好，同时还具有工艺简单，操作方便，效果突出，安全可靠，适用范围广等优点，解决了传统技术和材料在应用中存在局限性。
[关键词]形状记忆合金；建筑结构；拉扭组合试验；拉剪组合试验；抗弯试验
[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）08-0096-03
一、概论
工程力学是力学的一个基础分支，又可直接应用于许多工程实际问题的解决。作为工科重要的技术基础课，其目的和任务是使培养科技人员了解和掌握物体的一般规律及其研究方法，并能初步运用这些规律对一些实际问题进行分析、科学地抽象，为日后学习和研究有关的科学技术打好基础，并初步学会应用工程力学的理论和方法解决一部分工程实际问题。简单地说，工程力学就是为解决问题和分析问题的一门利器，是培养具有创新精神和实践能力的必备法宝。此外，工程力學已广泛应用于建筑、机械、航空航天等众多领域中，在工程设计中都必须要用到工程力学的相关知识。
工程力学课程主要包括理论知识和实验两大部分，其中实验内容是该课程的基础，换句话说，理论知识是实验或实践中规律的高度总结。因此，工程力学中实验课程的教学改革工作一直是高校教学中不断探讨的主题。宋克志[1]设计了材料力学开放实验教学平台的总体框架，激发了学生学习热情，增强了学生实践动手能力；牟萍[2]介绍了材料力学设计性实验，阐述了设计实验对提高学生创新能力的作用，尝试将设计性、综合性、研究性实验融为一体的教学模式；方治华论述了材料力学实验教材在培养学生创新能力中的重要作用；刘小蛮[3]结合高校工程师教育和综合型人才培养模式，使不同专业的学生对材料力学实验的内容做到“三会”，即：会做、会用、会意；夏兴有[4]采取搭建公共实验教学、学生创新和学生课外竞赛三个实验教学平台的做法及取得的教学效果。
文中以工程力学基本实验为背景，以培养学生分析实际问题和解决实际问题的能力为出发点，以提高学生的创新性和应用性为目标，进行一种新型记忆合金 （简记SMA） 材料在试验教学中的开发和建筑工程的应用研究。SMA是一种新型的智能/功能材料，利用SMA的超弹性效应和高阻尼特性可以制作减、隔震装置，抑制结构在地震荷载下的响应。围绕工程力学的基本实验内容，进行了有关SMA材料的四个（拉压、扭、剪、弯）内容的创新实验应用。
二、SMA材料的三种创新设计方案
（一）SMA材料在拉扭组合实验中创新设计方案
以提高学生的创新性和应用性为目标，使学生具有利用工程力学实验内容解决工程中轴向拉压和扭转的问题，本方案设计了一种记忆合金材料的拉扭组合实验，该实验的设计方案和教学内容分别如下：
实验方案涉及一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器及其方法，即为拉扭组合实验方案，如图-1，可用于抗震网架系统或工程构筑物中，属于建筑结构技术领域。该消能阻尼器主要包括抗拉压装置（如图-1中1）和抗扭部分（如图-1中2），这两部分均是由SMA丝、缸筒、活塞组成，抗拉活塞的两侧分别通过两组合金丝与抗拉缸筒两侧的缸盖相连，抗扭活塞分别通过抗扭合金丝与抗扭缸筒相连，每一组合金丝的一端通过夹头固定在活塞的螺孔处，另一端用夹头连接在缸筒的螺孔处。用于自复位隔振减振消能，其轴向振动波通过多根合金丝由合金阻尼器的一端传到另一端，在抗拉活塞作往复运动中，合金丝交替进行拉伸与回缩变形，提供了较大的滞回耗能及回复力，而其它方向振动波所带来的扭矩载荷则通过抗扭合金丝由结构的一端传到另一端，在抗扭活塞作往复转动中，合金丝交替进行拉伸与回缩变化，由于合金丝的超弹性变形以及产生的回复力，不但达到了隔震减震的目的，而且获得了振后结构自复位的能力。设计方案具有抗拉压消能特性，同时具备了抗扭消能特性，避免振动过程中，抗拉压合金丝因扭转而发生弯曲的不利影响，能够提高拉压合金丝的消能效果，达到良好的隔振减振目的。
具体的教学内容是将上述制作的自复位抗拉扭镍钛合金阻尼器，安装在万能试验机上，进行三类简单的加载和卸载试验：一是单向拉伸试验，外力和线位移间的试验数据（如图2a）；二是单向扭转试验，外力和扭角间的试验数据（如图2b）；三是拉扭组合试验，外力和位移间、应变量和回复力之间的试验数据（分别如图2c和d）。这些数据均表明了SMA丝具有良好的消能特性，以及优良的耗能迟滞环和高回复能力。将上述制作的阻尼器，安装在某一工程结构的抗振支撑处，隔振减振效果很好。
（二）SMA材料在拉剪组合实验中创新设计方案
为了使学生具有解决工程中轴向拉压和剪切的问题，本方案设计了一种记忆合金材料的拉剪组合实验，该实验的设计方案和教学内容分别如下：
实验方案设计的目的是为了解决建筑结构和机械结构隔震减震的问题，而提出一种绳索式自复位形状记忆合金隔震减震支座及隔震减震的方法，即为拉剪组合实验方案，如图3。本方案对比已有技术具有四大显著突出优点：一是绳索式特点显著；二是多向抗震效果明显；三是自复位能力突出；四是结构形式简单，功能齐全，既可以单独作为抗拉压阻尼器使用，又可以单独作为抗剪阻尼器使用，两者的隔震减震能力互不影响和制约。它可以广泛地应用于建筑结构隔震减震支座设计中，属于建筑结构技术领域。
该实验方案主要包括抗剪装置（如图3中1）和抗拉压构件（如图3中2），该消能阻尼器主要包括SMA丝绳、缸筒、活塞、定向滑道。其中，抗剪装置的缸筒与滑道上的立柱通过抗拉合金丝绳连接在一起，这些合金丝绳在缸筒内对称布置，每一根合金丝绳的一端用夹头固定在立柱上，另一端通过夹头连接在缸筒的内壁处；横向滑道和活塞通过钢杆连接在一起，并在横向缸筒下端安装有万向轮；对于抗拉压结构来说，其活塞的上下两侧分别通过合金丝绳与缸筒的上下缸盖相连，每一根合金丝绳的一端固定在活塞的一侧，另一端连接在缸筒缸盖的一侧，同时在竖向缸筒内设有轴向滑道和偏置弹簧。此实验方案将横向震动波通过抗剪装置中的合金丝绳交替拉伸与回缩变形，提供了较大的耗能及回复力，而竖向震动波将通过抗拉压构件的丝绳和偏置弹簧进行拉伸与回缩变形，在发生弹性变形的过程中，消耗了大量的震动能量并提供了足够的回复力，所以此支座装置不但達到了隔震减震的目的，而且获得了震后自复位的能力。
具体的教学内容是将上述制作记忆合金隔震减震支座，安装在万能试验机上，进行三类简单的加载和卸载试验：一是单向拉压试验，试验数据（类似如图2a）；二是单向剪切试验，试验数据（类似如图2b）；三是拉剪组合试验，试验数据（类似如图2c）。实验数据均表明此类支座的抗拉压、抗剪效果好，自复位能力强。另外，将上述制作的记忆合金隔震减震支座，安装在一工程结构的支撑处，隔震减震效果很好。如图-4对比了普通支座和本创新实验支座的隔震减震效果，这说明此创新实验支座的自动恢复能力强，位移和应力波动小，延缓并降低了震动波的危害，这表明利用SMA材料的超弹性效应、高阻尼性及结构的设计特点，可以较大程度地抑制结构在多向震动的响应。
（三）SMA材料在抗弯实验中创新设计方案
为了使学生具有利用工程力学实验内容解决弯曲的工程问题，在混凝土构件承受使用荷载前的阶段，借助其它外部装备预先对其受拉区施加压应力，而当构件承受使用荷载而产生弯曲拉应力时，将会抵消混凝土的预压应力，借此可推迟混凝土裂缝的出现和开展，以满足使用要求。依据此原理，我们设计了一种记忆合金材料预应力混凝土结构的实验，该实验的设计方案和教学内容分别如下：
实验方案是一种曲线型后张式SMA筋预应力混凝土结构，如图5，方案主要包括SMA筋（如图5中1）和混凝土（如图5中2），此种实验方案具有多个显著实用优点，适用于建筑施工工艺的体系，属于建筑结构技术领域。
实验方案设计的实际上是一种SMA筋预应力混凝土构件，适合于各种形状的混凝土构件，该合金筋预应力混凝土是在传统钢筋预应力混凝土的基础上吸取SMA材料的优点，把原混凝土的预应力钢筋替换为SMA筋，这样预应力就不必依靠台座或专业锚具来施加，而是简单地可以通过对SMA筋进行升温即可达到目的。同时通过现场实验实测出数据，如图-6，也表明了设计的可行性。因此，此实验方案对现场浇筑或预制预应力混凝土施工来讲，其工艺和设备简单、操作方便、安全可靠，且所需技术人员专业水平低，所以SMA筋预应力混凝土结构不仅提高了预应力结构的抗裂度、刚度、耐久性，而且其施工工艺简单可靠、投资和造价费用低。
三、结论
以工程力学基本实验为背景，从培养学生分析实际问题和解决实际问题的能力为出发点，设计了三种有关SMA材料的建筑工程创新设计方案：SMA材料在拉扭实验、拉剪实验、抗弯实验。这些设计方案实际应用效果突出，解决了传统技术和材料在应用中存在局限性。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 宋克志，周庆坡，吴江龙.材料力学开放实验教学平台建设探讨[J].高等建筑教育，2012（2）：115-117.
[2] 牟萍，谢晓梅，文宁.材料力学设计性实验的设计与实现[J].实验技术与管理，2007（4）：106-107.
[3] 刘小蛮，杜国君.材料力学实验教学思考——会做、会用、会意[J].力学与实践，2013（4） 74-77.
[4] 夏兴有，张学义，邹广平.材料力学研究型实验教学的实践[J].实验室科学，2008（4）：42-44.
[特约编辑：张 雷]
