智能材料在土木工程中的应用探讨论文

时间:2022-05-07 12:15:22 材料毕业论文 我要投稿

智能材料在土木工程中的应用探讨论文(通用6篇)

  各种智能材料在土木工程中得以广泛应用,对于提高土木工程的安全性、适用性、耐久性具有极为重要的意义,下面是小编搜集整理的一篇探究智能材料在土木工程应用的论文范文,供大家阅读参考。

智能材料在土木工程中的应用探讨论文(通用6篇)

  智能材料在土木工程中的应用探讨论文 篇1

  摘 要:随着人们对土木工程质量和使用功能的要求不断提高,包括光纤、压磁、压电、记忆合金等各种智能材料在土木工程领域得到了广泛的应用。文章介绍了智能材料的概念、特点及其在土木工程中的应用情况,并展望了其在未来的应用趋势。

  关键词:土木工程;智能材料;应用

  前言

  随着人们对土木工程质量和使用功能的要求不断提高,包括光纤、压磁、压电、记忆合金等各种智能材料在土木工程领域得到了广泛的应用,有效解决了土木工程中结构构件的强度和刚度变化以及形变等问题,有关智能材料的研究越来越受到世界各国研究人员的重视。

  1 智能材料的概念

  有关智能材料(Intelligent material)目前在世界范围内还没有一个统一的概念,但通常来说,智能材料就是指本身具备感知外部和内部环境的变化,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。在土木工程领域,智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料后的第四代材料。

  2 智能材料的特点

  在土木工程中,智能材料根据其功能特点的不同可分为感知材料和智能驱动材料两大类,其中感知材料就是自身可感知外界环境或内部刺激的材料,而智能驱动材料是指当外界环境因素或内部状态发生变化时可对这种变化做出响应或驱动的材料。总体上来说,智能材料主要有七个功能,即:

  (1)感知功能:可对外界或内部的刺激进行监测和识别;

  (2)反馈功能:将监测到的内容传输、反馈;

  (3)信息识别和积累功能:对反馈的信息进行识别和记忆;

  (4)响应功能:对外界和内在变化进行及时、灵活的响应;

  (5)自诊断功能:对于信息进行诊断、分析;

  (6)自修复能力:按照设定的方式对故障进行修复;

  (7)自适应能力:在外部刺激消除后可自行恢复到原状态。可见,智能材料可实现结构或构件的自我监控、诊断、检测、修复和适应等各种功能,实际工程中,要想实现这么多功能一般需要多种智能材料的组合来达到目的。

  3 智能材料在土木工程中的应用

  土木工程中应用的常见智能材料有光导纤维、压电材料、压磁材料、形状记忆合金等等。

  3.1 光导纤维

  光导纤维简称光纤,是一种纤维状的光通信介质材料,普遍用于各种高要求的通信传输中,具有传输速度快、无信号衰减、并行处理能力强、信息容量大等多种优点。在土木工程中,可充分利用光导纤维的特点,将其用于监测、传感以及信息远距离传输等,目前较成熟的做法是将光纤埋置于混凝土结构中,作为传感原件,以实现对混凝土结构的监测、诊断、分析等功能。众所周知,混凝土结构具有抗拉强度较差、钢筋易锈蚀等缺点,而且在大体积混凝土浇筑过程中由于结构内外温差较大容易出现温度裂缝,此时通过光纤作为传感元件即可实现对混凝土内外温差的监控,当出现内外温差高于设计要求时,光纤可及时将信息反馈给管理人员,实现即时报警,以便及时采取措施控制内外温差,提高混凝土结构的施工质量。

  3.2 光导纤维的应用

  光导纤维由外包层与内芯构成,是一种纤维状光通信介质材料,该材料采用先进的信息传输技术起初用于通信传输系统,由于作为信息载体的光子在速度与容量上高于电子,因此得到较为迅速的发展。光子所具有的高并行处理能力与高信息率,潜力在信息容量与处理速度得到充分发挥。光纤材料在监测、传感及信息远距离传输等方面得到应用,将光纤作为传感元件埋入传统混凝土结构中针对结构方面各项指标实现自动监测、诊断、控制、预报及评价等功能,而且将形状记忆合金等驱动元件埋入,有机结合信息处理系统与控制元件,使混凝土结构具有智能功能,进而实现混凝土结构自我诊断与修复。在土木工程结构诊断及主动控制地震响应中,光纤材料一直作为设计传感器的一种比较理想的材料,我国目前也已将其用于检测评定三峡大坝。

  3.3 压电材料

  压电材料是指受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。在土木工程领域常将其用做对结构振动、形变等进行感知的元件,当前,对于压电材料的研究主要集中于实现对结构振动的主动控制中,这也是未来的发展趋势。工程实际中常用作建筑物对噪声的主动控制、静变形控制的传感器,以及对建筑物结构安全性、健康状况进行监测和评定等。

  3.4 压磁材料

  在土木工程中,常用的压磁材料包括磁流变材料和磁致伸缩智能材料等。磁流变材料的工作原理是在外加磁场的作用下,磁流变液悬浮体系的流变性能发生变化,且当磁场强度高于临界场强时,磁流变体迅速由液态转变为固态,因此可在电视塔、超高层建筑以及大跨度桥梁中可利用压磁材料的这一性质实现对地震的半自动控制,将地震对建筑物的破坏大幅降低。此外,磁致伸缩材料由于具有较强的磁致伸缩效应使其在电磁和机械之间可进行可逆转换,在土木工程领域的应用前景被广泛看好。

  3.5 形状记忆合金

  形状记忆合金是具有形状记忆效应的一种智能合金材料,在将其形状改变后,在一定的条件下其形状记忆效应可被激发出来,产生强大的回复应力和回复应变,同时形状记忆合金也具备较强的能量传输储存能力,因此在土木工程中可将其置于结构中,实现对结构的自我诊断、增加材料的韧性和强度等,在结构出现变形、裂缝、损伤以及受到外界振动影响时,较大部分的能量都可被形状记忆合金吸收并耗散掉,因此增加了结构的安全可靠性,最常用的是利用其这一优点实现对地震作用的被动控制,工程实践中,将形状记忆合金安置于结构层间、底部或建筑物四角等受地震力作用较大部位,实现对地震能量的吸收和消耗。

  4 结束语

  综上所述,各种智能材料在土木工程中得以广泛应用,对于提高土木工程的安全性、适用性、耐久性具有极为重要的意义,同时由于智能材料本身具备的自动监控、传感、修复、自适应等能力对于发展主动式智能建筑具有十分重要的现实意义,对于改变传统建筑的使用功能和抵御地震、飓风等自然灾害的能力具有重要作用,当前在我国智能材料的研究和应用还处于相对落后的局面,但相信随着人们对智能材料的认识越来越深,更多的智能材料将被用于土木工程领域。

  参考文献

  [1]张亚东.智能材料在土木工程中的应用研究[J].科技资讯,2011(30):49.

  [2]黄浦时.关于智能材料在土木工程建设中的研究[J].数字化用户,2013(11):27.

  [3]汪洋.智能建筑材料在绿色生态节能建筑中的应用[J].国外建材科技,2008,29(2):123-126.

  [4]郑智能,张永兴,董强.智能材料及其在土木工程中的应用[J].重庆交通学院学报,2005,24(6):91-94.

  智能材料在土木工程中的应用探讨论文 篇2

  1、智能材料在土木工程中的应用

  1.1光导纤维在混泥土材料的监控

  光导纤维材料,是一种光通信介质,其最大优点是传输速度快、信号衰减低和并行处理能力较强,经常被用于高要求的通信传输中。光导纤维和光纤传感器在土木工程中,主要用于对混泥土固化的监控。混泥土结构最大的缺点是抗拉强度弱、内部钢筋容易被腐蚀等,在大面积浇筑过程中由于混泥土结构内部和外部温度差异而导致混泥土块体出现裂缝。这种情况下,将光纤作为传感元件埋入混泥土结构中,对结构的强度、温度、变形、裂缝、振动等可能引起混泥土结构损伤的危险因素进行检测、诊断、预报。更进一步,如果控制元件能接入信息处理系统,并引入形状记忆类金属等智能材料,形成完整的控制系统,将能实现混泥土材料的自适应功能———这正是目前智能材料结构系统在土木工程中应用的前沿课题。

  1.2压电材料

  压电材料一般是指在收到压力后,材料两端会出现电压的晶体材料。压电材料在土木工程中的应用主要包括对于结构的静变形控制、噪声控制和抗震抗风等领域。传统的压电材料使用方法是通过压电传感元件对结构的震动进行感知,利用传感器输出结果,从而实现对于震动的感知和预警。在此基础上,采取合适的控制算法对压电体的输入进行控制和定量,从而实现对于结构震动的控制,这是目前压电类智能材料的研究前沿。随着研究的深入和技术的进步,压电类的智能结构土木工程中的应该越来越广泛。

  1.3压磁材料

  压磁材料在土木工程中的应用主要包括磁流变材料和磁致伸缩材料。基于磁流变材料的原理,当磁场的强度高于临界强度时,磁流变在极短时间内从液态向固态转化。在介于固液体之间可根据磁流变液特点具有的快速、可控及可逆性质,控制流体特性实施时需要较低的能量,因此在智能结构中通常将磁流变液作为动器件的主要材料。基于这点,磁流变材料可用于高层建筑的结构中,实现对地震的半主动控制。因为潜在应用前景的广阔,使得磁致伸缩材料近年来得到很大关注。磁致伸缩材料具有强烈的磁致伸缩效应,这种材料可以在电磁和机械之间进行可逆转换,这种特性使其可以用于大功率超声器件、声纳系统、精密定位控制等很多领域。

  1.4形状记忆合金

  形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的智能材料。形状记忆合金的形状被改变后,在一定条件下能激发其形状记忆效应,这一过程中,材料产生高于700兆帕的回复应力及8%左右的回复应变,同时具有较强的能量传输储存能力。基于这一特性,形状记忆合金在土木工程中最大的用处是用于各种结构中来实现结构的自我诊断、增加材料的韧性和强度等、增强材料的适应控制。形状记忆合金还可以被研制成智能驱动器,用于对结构变形、裂缝和振动方面的控制。形状记忆合金具有较高相变回复力,结合该特性能够研制开展形状记忆合金被动耗能控制系统,该系统可实现相变伪弹性性能,可在土木工程结构中用于耗能抗震的被动控制。目前的土木工程实践中,通常在结构层间或底部等受地震作用较大的位置安置形状记忆合金被动耗能控制系统,用于实现耗能系统对结构的层间变形的感知,进而起到消耗地震能量的作用。

  2、智能材料的优点局限性

  土木工程中应用的智能材料具有反馈信息、自我诊断、自我修复、自适应能能力,实践也表明,智能材料在实际土木工程中的应用使得工程结构具有高强度和耐久性等特点,同时能智能化地执行指令,能较好的适应外部环境的变化。但上述的光纤、形状记忆合金、压电和压磁等材料,本质上属于高智能复合材料,其最大的局限性在于使用成本很高,造价太贵。这一缺点,使得目前对于智能材料的应用智能局限于档次较高、标准较高的建筑工程,智能材料在普通民居建筑中的应用还遥遥无期。另外,智能材料的应用需要相应的技术和配套材料设备的配合支撑,在施工中对于施工技术和工艺的要求较高。因此,但就目前看,对智能材料的应用还不可能实现全方位的广泛普及,但是,智能材料可能是未来土木工程材料的研究和发展方向。

  3、结束语

  综上所述,智能材料在土木工程中的应用弥补了传统建筑结构适应环境能力弱的缺点,将建筑结构需要人为检测转向建筑结构带自我检测、调整和适应功能。目前智能材料的应用还局限在少部分高要求和高标准的建筑项目,科学界对于智能材料以及相关技术和配套设备的研究,是未来智能材料能广泛应用与土木工程结构的前提和基础。

  智能材料在土木工程中的应用探讨论文 篇3

  引言

  随着材料技术的快速发展,越来越多的高新技术被运用到工程材料的研发中,各种新型材料层出不穷,以复合材料为基础发展而来的智能材料,为解决相应材料的力学问题提供了科学牢靠的途径。作为有着多学科交叉背景的综合学科,智能材料为土木工程中日益复杂的结构提供了实现的可能性,因此这一学科的研究也日益受到重视。诸如大跨度桥梁、高层建筑、水利枢纽、海洋钻井平台以及油气管网系统之类的基建设施,在其较长的使用期中,外界各种不利作用会使得组成这些结构的材料发生不可逆的变化,从而导致结构出现不同程度地性能衰减、功能弱化,甚至会诱发重大工程事故。若是能将智能材料运用到对这些超规模的工程结构物中,能够时刻评定相应的安全性能、监控损伤,并智能修复,则将为未来工程建设提供新的发展思路。所谓智能材料,是指随时能够对环境条件及内部状态的变化做出精准、高效、合适的响应,同时还具备自主分析、自我调整、自动修复等功能的新材料。受仿生学科的启发,其目标是要开发出能运用到具体工程中、将无机材料变得有生命活力。二十世纪90年代初逐渐兴起的智能材料结构系统,吸引了包括物理、化学、电子、航空航天、土木工程等领域的研究者涉足其中,取得了丰硕的成果。

  1、智能材料的概念及特点

  智能材料发源于“自适应材料”(AdaptiveMate-rial),在Rogers和Claus等人的努力下,智能材料系统逐渐受到全世界各国官方机构的认可与重视,发展迅速。智能材料(IntelligentMaterial,IM)当前没有一个明确的定义,不过大体上都是根据功能做出相应的定义,是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料,具有不可限量的前景。智能材料产生的背景决定了其所具有的独特优势,决定了其终将会带来材料科学的重大革新。通常而言,智能材料主要以下七大功能:

  (1)传感:能够对内外部的作用进行监控与鉴别;

  (2)反馈:将监控获取的信息进行传输以及反馈;

  (3)信息识别与积累:识别并记忆反馈来的信息;

  (4)响应:对内外部的变化做出灵活有效的反应;

  (5)自诊断:对内外部信息实施自行诊断、分析、评判等;

  (6)自修复:依特定的方法修复系统的故障;

  (7)自适应:待外部作用消失后可恢复原状。

  在具体的工程中,若要实现这么多的功能,仅仅依靠单一材料是无法实现的,因此通常情况下都是通过多种智能材料的组合才能达到目的。

  2、智能材料在土木工程结构中的应用

  2.1光导纤维

  光纤维的主要化学成分为二氧化硅,作为信息传递的绝佳介质,有着其他任何材料无法比拟的传导能力。材料主要由内层圆柱形透明介质和外层圆环形透明介质组成,内层为纤芯,外层为包层。内外层折射率的差异能够保证携带信息的光在纤维里面能量损失少,传输距离大。将光纤维植入到混凝土结构中,制成光纤维混凝土结构。当混凝土结构因外部因素的变化而产生变形时,植入砼结构中的纤维也随之发生变化,进而导致纤维中的光发生改变,相应的传感器能够直接获取变化,从而间接确定混凝土结构的各种性能变化,实现对结构的全方位监测,为工程的可持续性提供技术指导。并且,分布监控的模式可保证混凝土结构任何部位的改变均能被监测到,相当于在混凝土结构中创造了一个全覆盖、光角度、无死角的监测网络,两者组合而成的光纤维混凝土可以认为是一种具有强大自我调节的智能材料。当前,光纤维混凝土结构主要的工程应用包括:混凝土的温度及温度应力监测、混凝土结构裂缝的监测与诊断、混凝土结构强度与变形监测、混凝土结构配合的钢索应力和变形监测等。

  2.2形状记忆合金

  何谓记忆合金,即材料具有形状记忆能力。当材料的形状被改变后,其内在的记忆效应可被激发出来,进而自动产生回复应力与应变,驱使材料恢复原状。同时,合金材料能够传输能量并实现能量储存。鉴于此,工程中可将记忆材料安置在结构中,当结构出现变形、裂缝、损伤以及外界动荷载影响时,大部分的能量可被记忆合金材料消耗掉,可极大提高结构的稳定性,若将材料运用到多震地区的建筑结构中,则会实现对地震能力的吸收与耗散,极大地提高建筑物的抗震性能,此举属于材料的智能被动控制。形状记忆合金材料所具有的相变超弹性,使其可用来制作耗能阻尼器,这种阻尼器实现了智能被动控制。同时,由于其相变会引起超弹性滞回环的产生,使得材料具有极高的抗疲劳性,以此为基础制作的阻尼器使用周期远胜于普通的阻尼器,可实现结构品质的大幅度提高。

  2.3压磁材料

  土木工程领域中常规的压磁材料主要包括磁流变材料和磁致伸缩智能材料等。在外部磁场作用下,磁流变液悬浮体系的黏弹塑性会发生明显的变化,并且这种变化是可逆的。当外部磁场超过一定强度后,磁流变也会在极短的时间内变成固态,微观上表现为材料的分散相颗粒沿着磁场方向结成了链状结构。磁流变液介于液体与固体之间的这种独特的可变属性,以及对这种特性实施控制时耗能低、变化范围广、成本低等特性,使得磁流变液成为工程结构中作动器件的重要材料。当前,磁流变液主要被应用到元器件的控制桥路以及电源的高速开关等多个领域。且磁流变液在土木工程领域的应用主要集中在高层建筑、塔形建筑物、大跨框架和大跨度结构等。同时,有着高磁致伸缩效应的磁致伸缩智能材料,可以保证材料在机械与电磁直接进行可逆转换,因此具有广阔的应用前景。

  2.4碳纤维混凝土材料

  工程中混凝土的作用范围很广泛,因此对混凝土材料的改善也日益得到科研人员和工程从业者的支持,碳纤维混凝土的产生正是这一领域发展的重要产物,在混凝土中掺加一定比例的碳纤维,可赋予混凝土材料以驱动功能和本征自感应。作为一种高强度、高弹性、大导电性的材料,碳纤维的加入能极大改善混凝土的强度与韧性,并且碳纤维之间会形成具有电阻的导电网络,在材料中起到阻隔导电的势垒,大大降低混凝土材料的电阻率,从而使得材料的导电能力得到数量级上的显著变化。不可忽视的是,这种混凝土的电导率与温度及应力的变化而表现出规律性的响应。同时,碳纤维混凝土在温度上表现为温度变化造成电阻的变化,并且材料内部的温差也会衍生出热电效应,在电场的作用下碳纤维混凝土会产生热变效应(热效应与变形)。碳纤维的含量和混凝土材料的结构共同影响材料的温敏性,当碳纤维的含量超过一定比例时,材料才有可能形成较为稳定的电动势。而碳纤维的掺入方式主要有两种:短切乱向分布和连续碳纤维束单向增强。采取不同的掺入方式能使得碳纤维混凝土的力学性能得到不同程度的强化与提高,工程实践表明:第一种方式更具有实用性。

  2.5压电材料

  具有压电效应的压电材料,经常被用作驱动元件和传感元件。当压电材料受到外部因素作用时会因为其自身发生变形而产生电势,而对材料再施加一定电压时又会改变材料的尺寸,压电效应由此而来。利用这一特点,压电材料可用作传感元件,通过压电元件的变化来判断元件所在位置处结构的变形量。与此同时,若能在压电元件外部形成电场,进而对压电元件内部的正负电子施加定向电场力,从而迫使元件发生变形,制成驱动元件。利用驱动元件,可改变材料的应力状态,甚至会影响材料的结构变形。压电材料的变化均在极短时间内完成,因此压电效应主要适用于对结构振动的控制上。

  3、智能材料的未来发展

  3.1智能材料性能的发展

  智能材料有着独特的优越性能、广阔的发展前景,但是由于这一领域处于多学科交叉的研究前沿,所存在问题也亟待深究:

  (1)形状记忆合金的发现,改变了很多传统理念,胡克定律在合金材料这里基本上不再适用了,其所具有的智能功能使得传统的力学研究方法难以合理地解释其内在的机理,因此需要研究者另辟蹊径,从宏观与微观的角度重新去探究这种新材料的原理,建立一些实用性较强的理论和模型,以对具体的工程实际进行规范化的指导。同时,当前形状记忆合金还不完善,耗能高、功能单一等缺点使得其实用性不强,能够开发出低能耗、出力大、多功能的控制器则是未来研究的重要方向。

  (2)可以预见,压电材料将会成为工程结构中力学测量的首选感测元件,但是其存在的主要问题就是驱动力小,虽然已经有一些技术来弥补这一缺陷,但是对于大规模的土木工程结构而言,压电材料并不能直接应用,复杂的理论分析、高难度的集成技术研发,以及压电驱动器的开发技术和设计方法难度较大,都是制约压电材料未来发展的瓶颈,是研究的难点、热点和重点。

  (3)压磁材料所面临的问题是在长期的放置之后,会产生固体颗粒沉降,这种沉降对材料的稳定性有着怎样的影响效应也需要更深入的研究。并且,其温度适应范围较小,若能够拓宽温度作用范围,将使得压磁材料有着更广的发展前景。

  3.2智能材料研究难题

  针对材料本身所面临的主要问题,未来在土木工程领域的应用研究主要有下列一些难题:

  (1)结构的健康监测与保养;

  (2)形状自适应材料与结构;

  (3)结构减振抗震抗风降噪的自适应控制。

  这些问题的进一步研究将有助于工程质量的提高,有助于降低工程灾害性事故的概率,有助于强化工程的安全可靠性,有助于推动土木工程领域的高技术发展,有助于为土木工程领域注入新的发展动力与机遇。

  智能材料在土木工程中的应用探讨论文 篇4

  随着科技的发展与进步,一些人类不愿意甚至不能够做的事情(如工作环境差、劳动强度大、危险程度高等的工种或工序)已经开始利用机器人去实现,例如汽车制造工业中应用的焊接机器人,完成减速器壳体、汽车座椅、汽车燃油箱、汽车车身等的焊接工作[1]。生产力的发展使机器人得到快速的发展,智能科技化程度也越来越高,不仅部分解放了人类的双手,而且提高了生产效率,降低生产成本。智能机器人除在工业生产中的广泛应用外,在一些服务行业也越来越受到人类的青睐。 2016年5月媒体报道,河北保定一家餐厅引进智能送餐机器人当“跑堂”,机器人“服务员”每次充电后可持续工作约8h,具备自动送餐、空盘回收、菜品介绍等功能[2]。机器人甚至可以深入到深海地区探测海底情况,完成人类根本做不到的事情。据新华社报道,我国自主研发的水下机器人“潜龙二号”成功地对西南印度洋脊上的热液活动区开展了试验性应用探测。在这种被称为“海底黑烟囱”的复杂地带,“潜龙二号”获得了热液区的地形地貌数据、发现多处热液异常点,拍摄到硫化物、玄武岩和海洋生物等大量照片,取得了大洋热液探测的突破[3]。由此,机器人从最初的仅仅可以完成一些简单动作发展到能够感知环境的变化,并根据外部环境做出反应,完成相应动作,即人们所说的智能机器人。而智能材料可以通过自身表层或内部结构获取关于环境条件及其变化的信息,随后进行分析、判断、处理,通过组织结构的改变实现功能的更新,实现与外部环境相适应的目标,所以其具有类似于生物智慧的系统或结构。故这类材料可以为机器人智能化的实现提供更多的可能。

  一、智能机器人的结构组成

  自从1959年世界上第1台工业机器人由美国人英格伯格和德沃尔制造成功以后,机器人经历了由完成简单操作功能的机械手到智能机器人的变革。目前的智能机器人已经具有了类似人的思维、判断能力,拥有强大的感知系统,并可以根据外部环境的变化实现自主学习和自我调整,并根据经验的积累进行自我安排,完全独立的工作[4]。

  智能机器人主要由机械装置、信息采集与智能控制等部分组成[5]。机械结构系统是机器人的主体,由基座、手臂、末端执行器3大件组成。基座一般由金属材料加工制造而成,要求具有一定的强度、刚度及稳定性,研制强度高、质量轻的材料可以既保证其强度、刚度要求,又降低其质量,节约能源消耗,同时新型材料的使用使得智能机器人在较恶劣环境下工作成为可能,拓宽其应用领域,减轻人类负担。

  信息的采集主要依赖于传感技术,传感器的使用使得智能机器人可以像人类一样拥有“眼睛”、“耳朵”、“鼻子”,对看到的、听到的、感受到的、接触到的环境信息如温度、压力、声音、障碍物等信息进行采集,通过对比行动的目标信息,对采集到的数据进行分析、筛选,获得完成指令所需的信息。而传感器材料的优劣直接影响了传感器性能的好坏,传感器材料是智能机器人智能化的重要支撑。

  控制部分的功能是实现机器人接收从传感器反馈回来的信息并形成作业指令以及驱动机器人执行相应任务。控制技术是智能机器人将信息采集与分析、形成行动规范的核心,是智能机器人完成各项任务的重要组成部分。而智能控制系统的智能程度与控制器的材料密不可分,也是智能机器人实现灵活行动、复杂动作等的重要支撑。

  综上,智能机器人的智能化与智能材料的功能化密不可分,智能材料不仅要具备良好的力学性能,同时又需要具备一些特殊功能,即能感知所处的内外部环境变化,并能通过改变自身的物理性能或形状,从而实现自诊断、自适应、自修复等功能。智能材料的快速发展与应用促使智能机器人在实现动作、对外界刺激的快速反应等方面取得了明显的进步,对智能机器人智能化的实现发挥着巨大作用。

  二、智能材料的发展

  智能材料是一种可以利用组织变化或形态变化反映对外部环境刺激的感应并汇总成可靠的信息,然后进行自我调整以适应外部环境的刺激的材料。智能材料是高科技材料,代表了材料科学发展的前沿技术,是智能机器人实现智能化的重要手段,是功能材料和结构材料的有机结合[6]。智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命,随着智能材料功能的逐步深入研究,智能材料的应用领域也在逐步扩大。

  1.智能材料的特征

  智能材料的开发与研究源于仿生材料,因此智能材料系统具有或部分具有生命运动的一些特征:

  ①传感功能:即对外界环境及其它信息的接受能力,如感知到外界及自身所处的环境条件,如温度、载荷、声音、水压、障碍物等。

  ②反馈功能:如同人体的神经系统,能够对采集到的信息与设定指令进行对比与分析,形成合理的判断并反馈给控制系统。

  ③信息识别与积累功能:主要是对采集信息的分辨能力以及汇总和储存的功能。

  ④响应功能:对接收的信息进行判断与分析后形成初步的行为规范并指导动作过程。

  ⑤自诊断能力:将系统目前状况与常规状态进行对比分析,发现故障并进行校正。

  ⑥自修复能力:对一些系统损伤或破坏能够进行自我修复。

  2.机器人中智能材料的.应用

  一般来说智能材料在机器人的结构中主要用于基体材料、敏感材料、驱动材料等。

  (1)基体材料

  为主要的结构材料,用来承受一定的载荷,一般以轻质材料为主。通常选用高分子材料,不仅密度小、耐腐蚀且具有粘弹性。当然一些轻质的金属材料也可用作基体材料。

  (2)敏感材料

  敏感材料主要起传感的作用,采集外界环境的信息如温度、压力、PH值、电磁场等。用得较多的敏感材料有压电材料、形状记忆合金、光纤材料、磁致伸缩材料等[7]。

  (3)驱动材料

  驱动材料是机器人能否根据相应指令完成规定任务的重要保障,源于其在一定条件下,可产生一定的应变和应力,常用的有效驱动材料有形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等[8]。

  综上,有些材料可以起到多重作用,例如形状记忆材料、压电材料既可以作为驱动材料又可以作为敏感材料使用,这为智能材料的设提供了思路。

  三、智能材料在智能机器人中的应用

  1.传感器材料

  伴随材料科学的发展,传感器技术日益成熟,种类多种多样,早期常选取半导体材料及陶瓷材料,近年来由于光导纤维、超导材料的研究开发,各种传感器也随之更新换代。例如,较先进的红外传感器、激光传感器、光纤传感器等现代传感器,选用以硅为基体的半导体材料,利用其易于微型化、多功能化、智能化的特点,借助于半导体光热探测仪器的灵敏度高、精度高、非接触性好的性能特点。陶瓷材料和有机材料的快速发展带动了敏感材料的发展,不断地优化配方,精密调配原料,经高精度成型烧结,研制成新的敏感材料,用于制成新的传感器。此外,有机高分子敏感材料也是颇具应用潜力的新型敏感材料,可制成湿敏、光敏、气敏、热敏、力敏、生物敏和离子敏等传感器。

  另外,可从2方面着手研究提高传感器的性能,一是采用敏感度更高的感性元件,二是研究新型的检测方法以及更加精确的信号处理方法。例如,日本基恩士公司采用CMOS感光材料制成数字激光传感器,测量精度可达0.5mm,且表面材质对其基本没有影响,智能机器人对目标物体的定位更加精准[9];导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化,因此也常用来作为触觉传感器的敏感材料[5];拟人化皮肤传感器利用一种具有压电和热释电性的高分子材料研制而成 [5]。利用高分子凝胶、合金材料等制成的力传感器可以很好地模拟生物体的运动功能提高机器人抓取动作的灵活性。

  2.形状记忆合金

  形状记忆合金(SMA)通过检测外界环境如温度或位移的变化,从而将热能转换为机械能,如果能够很好地控制加热或冷却,即可获得重复性很好的驱动动作。用形状记忆合金制作的热机械动作元件具有体积小巧、结构简单、控制方便、成本低廉等优点。近年来,随着形状记忆合金的产业化,该材料的优点逐渐凸显出来,越来越多地被应用到智能机器人的某些零部件中。如用形状记忆合金可制作成机器人手足、触觉传感器、机器人元件控制器及筋骨动作控制等。早在 1986年,日本生产的机器人中就采用了形状记忆合金,可见日本很早就开始了这方面的研究。目前日本关于形状记忆合金应用于智能机器人的研究较成功,走在世界的前沿。有报道称日本成功将形状记忆合金应用到海底机器人和微型机器中,所研发的一款深海机器人,可以自动勘探包括钴在内的海底稀有金属资源 [10]。

  形状记忆材料的一个特点就是动作柔和,被用在某些需要进行力量控制的智能机器人上。例如智能机器人夹持器,它是机器人末端执行器之一,一般由手指、传动机构和驱动装置组成,是机器人结构中的一个重要组成部分。用来直接抓取和握持工件,以达到约束被夹持工件的自由度,而对其进行位置控制的目的。作为电驱动器,可替代电磁螺线管、伺服马达、液压或气动装置,SMA驱动器设计简单、结构紧凑、无噪音、成本低。SMA驱动器往往设计成偏动式和差动式驱动器,这类元件尤其适用于可转动的机器人关节。

  形状记记合金还可作为驱动元件应用到智能机器人中,如形状记忆合金电机(SMAA)。温度升高时,SMA材料发生形状回复,温度降低时形状保持不变,借助于辅助元件,将电机形状变化转变成位移的变化,可见通过合理控制温度的升高或降低,SMAA可将热能(温度的变化)转变成机械能(位移的变化)。同时若再辅以一定的偏动或差动装置,可实现双向运动。SMAA结构较简单、易于控制;尺寸较小,易于实现智能机器人的微型化;动作连续可控,易于模仿人类的手臂;同时受温度及恶劣环境的影响较小;环保无污染。形状记记合金的主要研究方向着眼于从机械手、机器人关节、手爪的驱动等。

  3.压电材料

  当前,智能机器人可以通过“压电效应”把压力转换成电信号,从而让机器人可以产生触觉。目前已经投入应用的新型压电材料主要有压电半导体和有机高分子材料。

  (1)压电半导体

  有些晶体既具有半导体特性又具有压电特性,如硫化锌、氧化锌、硫化镐、砷化钙等。利用其压电特性可加工成传感器,半导体特性可加工成电子器件,如果将2者结合,则可以实现组件与线路的一体化,制成新型集成压电传感器。

  (2)有机高分子压电材料

  一些有机高分子聚合物,经延展拉伸和电极化后所形成的高分子薄膜具有压电性,如聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯等。独特的优点是质轻柔软、抗扯强度高、耐冲击。另外,在高分子化合物中掺杂压电陶瓷锆钛酸铅或钛酸钡制成的高分子压电薄膜。

  4.磁致伸缩材料

  所谓磁致伸缩材料是指材料在交变磁场的作用下,一方面会发生长度的变化,进而产生位移,从而将电能转变成机械能;若产生反复伸长或缩短也即振动,也可将电能转变成机械能。另一方面,该材料若受到拉深、压缩力的作用改变了其长度,则材料内部磁通密度也因此发生相应变化,从而在线圈中产生感应电流,将机械能转换为电能。故此为能量与信息转换的功能材料。可将此特性用于智能机器人进行海洋探测。

  四、结语

  智能机器人的时代已经开启,我们梦寐以求的智能时代正一步步向我们走来。我们渴望智能机器人可以拥有比人类更聪明的大脑,更严谨的分析、判断复杂外界环境的能力,拥有更坚实的“身体”,更灵活的步伐。而智能机器人智能的提升离不开机械学、力学、电子学、生物学、控制论、人工智能、系统工程、材料学等多学科的发展,其中智能材料的作用功不可没。如人造皮肤智能材料,不仅可以清晰地分辨出外部环境的细微变化如温度、热流及各种应力大小的变化等,对于表面的一些状况如粗糙度、摩擦力等也能够很好地进行区分。智能材料的设计、制造、加工等均涉及到了材料学的最前沿技术,有待科学工作者的不断深入研究与探索。尽管如此,随着科技发展相信会有越来越多的智能材料应用到智能机器人中,智能机器人的智能化程度越来越高,在各行各业中都可以看到智能机器人的身影,智能机器人得到产业化、批量化的生产。

  智能材料在土木工程中的应用探讨论文 篇5

  [摘要]文章在总结了“土木工程资料”课程具有内容多、实践课程缺乏、教材内容及教学大纲滞后等特点的基础上,提出本课程在教学方法及内容、实践教学、考核方式等方面的一些改进措施,提高学生的综合素质和实践能力。

  [关键词]土木工程资料;教学;方法;实践

  土木工程资料是我校资料科学与工程专业的一门专业选修课,该课程主要内容包括土木工程资料的性质、用途、制备和使用方法以及检测和质量控制方法。通过对该课程的学习,学生能更深入地理解资料组分、结构与资料性质的关系、外界环境和施工工艺对资料性能的影响,以及资料性能改善的途径,为以后毕业设计、进行科研以及从事专业技术工作提供必要的基础理论和技能训练。

  1、课程现状

  1.1课程内容多、范围广、与工程应用密切相关

  土木工程资料种类繁多。根据资料的来源,有天然资料及人造资料;根据资料的功能,有结构资料及功能资料;根据资料的成分,有无机资料、有机资料及复合资料,这就使得“土木工程资料”课程的内容十分广泛。另外,课程的理论性、概念性及经验性的内容比较多,以文字叙述为主,而计算推理的内容相对较少。土木工程资料与工程应用紧密相连,每种土木工程资料(原资料或产品)都有相关的技术指标,有些技术指标还在不断修改和完善。在实际工程应用中,各种资料往往构成混合资料或产品,各种资料的性能以及它们之间的相互作用对整个混合资料或产品的性能都有重要影响。另外,工程应用环境对于资料的耐久性也有重要影响。因此,土木工程资料课程既要体现各类型资料的基本特性,又要在工程应用上形成统一体系。这些因素使教和学都有一定的难度。

  1.2实践课程缺乏,经费不足

  实践教学是我国高等教育特别是高等工程教育的一个薄弱点。传统的三大实践教学环节(实验、实习和毕业设计),被越来越弱化[2]。“土木工程资料”作为我校资料科学与工程专业的一门专业选修课,同样存在实验设备老化、实验经费短缺、缺乏实习基地等问题。另外,该课程的理论性、概念性及经验性的内容比较多,且以文字叙述为主,容易使学生感到枯燥。作为在校学生,平时也无法接触工程实践,缺乏感性认识,如果实验配套缺乏,更加无法调动学生的学习积极性。并且单纯的理论学习,会使学生学到很多的知识“碎片”,缺乏整体性的概念。例如,只有通过实践,才能更好地理解混凝土的耐久性是与组成资料、配合比设计、养护条件、结构和构件设计紧密相关的整体论,而不是由单一因素决定的。

  1.3教材内容及教学大纲滞后

  近年来,科学技术的飞速发展,以“三新”(新资料、新技术、新方法)技术为标志的工程建设新时代已经到来[3]。工程应用的实际需要也促进了新资料的发展。例如普通砖的砖块体积小,施工效率低,而且砖块烧制需要毁田取土,破坏生态环境,同时消耗大量能源,而加气混凝土砌块不但体积大、施工效率高,而且使矿渣、粉煤灰等工业废物得到再利用,减少了环境污染。因此这种传统的烧结砖正越来越多地被加气混凝土所替代。但教材内容的更新速度总是较新资料的发展速度慢,而教学大纲是根据教材内容而制定的。我校的教学大纲修订年限较长,进一步导致授课内容跟不上新资料的发展速度,学生毕业后不能很好地满足工作的需要。

  2、教改方法

  2.1结合工程案例,加强多媒体技术

  在教学过程中采用工程案例教学法代替传统的理论讲授法能获得较好的效果。因为土木工程资料中叙述性的内容较多,如采用平铺直叙的教学方法,很难引起学生的学习兴趣[4]。工程案例教学法就是利用多媒体展示实际工程中常出现的现象,然后分析问题,解决问题,使学生从感性认识上升到理性认识。这一认知过程也符合人类对事物的认知规律,因此学生容易理解和接受。例如通过多媒体展示工地上出现的石灰墙面鼓包、开裂现象,北方地区出现的路面、桥梁用水泥或混凝土剥落现象、沿海地区大坝的钢筋裸露、锈蚀现象,以及近几年出现的整栋房屋突然垮塌现象,激发学生的学习兴趣,结合各种资料特点及施工技术分析出现这些现象的原因,提高分析、解决问题的能力,增强学生的责任心。另外,由于课程中教学内容较多,通过制作多媒体课件,将文字、图片、动画、实例演示等教学信息通过屏幕呈现给学生,提高教学的形象性和生动性。例如对于钢材的拉伸性能,混凝土抗压强度的测试,以及时间长、操作难的实验等,通过播放录像的方式,让学生更加直观地了解实验过程和操作方法,增强了学生的感性认识,从而提高了教学质量。

  2.2加强实践教学

  实验教学对于学生基本原理的掌握和工程实践的培养,具有举足轻重的作用,是学生能力和素质提高的重要环节。然而由于实验学时有限,而涉及的内容较多,并且有些实验周期很长,无法在课堂内把所有实验都完成,因此应采用多种方式进行。首先,在实验课上完成基础实验,例如完成水泥细度、标准稠度用水量的测定,胶砂强度试件的制作,水泥凝结时间的检测,水泥水化产物的分析,石膏制品的制作,沥青的粘度测试等实验。其次可以利用开放实验室,以教师指导及研究生助教的形式,在课余时间完成设计性或综合性实验。例如各种矿物外加剂和化学外加剂对混凝土流动性、保水性、凝结时间、水化热、水化产物、强度等性能的影响。教师可以提供题目,学生确定选题,然后分组完成。最后每组同学递交实验结果及分析报告。为进一步提高学生的实践能力,采用校企联合培养模式,学生利用假期到企业实习,积累实践经验,鼓励部分有能力的学生直接参与企业的资料性能检测实验、新资料的开发研究或者实际工程项目,提高学生分析和解决实际工程问题的能力。

  2.3关注学科发展前沿

  教材是教学的依据和根本,但教材内容的更新速度总是较新资料的发展速度慢,因此,教师应密切关注土木工程资料研究和工程应用的最新进展以及相关技术指标的更新,引导学生及时了解学科发展动态,拓宽专业视野,培养创新意识,以适应时代发展的需要。在关注学科前沿和培养创新意识上,特别注意要根据我国国情和工程实际情况,研发符合我国工程特点的新资料。例如,在国内外,聚氨酯外墙保温资料得到了广泛应用,但聚氨酯的防火性较差。许多事故表明,火灾造成的巨大伤害都是由于所用资料的防火性差,并且燃烧释放出大量的毒气而造成的。由于我国的特点是人口密度大,建筑物密集且高大,聚氨酯作为外墙保温资料必然存在重大安全隐患。因此,要引导学生这些事故中吸取教训,并且研发符合我国国情特点的新资料。另外,应缩短教学大纲的修订年限,同时应把教学内容的主动权交到教师手中,紧跟时代发展步伐,固有体制会制约教学的发展和提高。

  2.4改变考核方式

  闭卷考试是应试教学方式中的传统评价方法,对培养提高学生的综合业务素质存在着一定的弊端。对于考核方式,本课程采取平时成绩、实验报告与开卷考试相结合的方式。平时成绩的评定主要根据课堂出勤、上课听讲、平时作业完成情况等作为依据。平时作业紧扣教学重点,例如石灰的成分与性能的关系,骨料细度模数的计算,普通混凝土配合比设计,砂浆的配合比设计等,主要考察学生对基本知识掌握情况。实验报告反应了学生的实践动手能力,以及分析和解决问题的能力。本课程教材包含了大量关于资料的技术指标以及混凝土和砂浆配合比设计公式。随着新资料和技术的发展,很多技术指标也会不断地被修订和完善。在信息时代,电脑能够为人类提供海量数据,并可及时查询,因此很多内容无需特别记忆。因此,开卷考试能够回避很多需要记忆的内容,更多地考察学生对基础知识的应用能力,以及分析和解决问题的能力。以上三种考核方式的结合,更能全面地考察学生的综合素质。

  3、总结

  “土木工程资料”课程教学改革紧密联系工程实例,激发学生的学习兴趣,开拓学生视野;通过实验和实践认识促进对课堂理论知识的理解和掌握,并且注重培养学生的创新意识;通过改革考核方式,全面考察学生的综合素质。

  参考文献

  [1]程云虹.“土木工程资料”课程教学研究[J].高教学刊,2015(4):27-28.

  [2]张俊,罗伟.《资料工程基础》教改[J].广东化工,2011,38(3):200.

  [3]张灵辉.《土木工程资料》课程教学的改革[J].四川建材,2015,41(2):295-296.

  [4]苏达根,张志杰,钟明峰.以学为中心的网络课程设计[J].中国远程教育,2007,27(11):49-51.

  [5]靳正国,郭瑞松,侯信,等.大资料专业“资料科学基础”课程的教改认识与实践[J].高等工程教育研究(增刊),2005:31-34.

  智能材料在土木工程中的应用探讨论文 篇6

  1、“土模法”应用

  抽水蓄能电站上库坝坝头段公路泉眼沟中桥上部结构采用3×20m单箱双室钢筋砼直腹板箱梁,箱梁梁高1.3m,顶板标准段宽10.5m,底板宽7m,悬臂长1.75m。跨中部分箱梁顶板厚20cm,底板厚18cm,腹板厚30cm;考虑抗剪能力要求,支点附近腹板加厚至50cm;支点处设置横隔梁,边支点处横隔梁厚100cm,中支点横隔梁厚150cm;箱梁腹板等高,桥面横坡由箱梁刚性扭转形成。下部结构为柱式桥墩、柱式桥台。该桥0#桥台支座中心处桥面超高1.565%,1#桥墩中心桥面超高为6%,2#桥墩中心桥面超高为5.572%,3#桥台支座中心处桥面为1%和0.891%的双向坡。超高采用绕内边缘旋转方式。该桥位于缓和曲线、圆曲线、缓和曲线之上,圆曲线的半径为16.807m和38.788m,转弯半径较小,且桥面由单向坡向双向坡渐变,技术含量高,施工难度大。

  2、施工方案的选择

  该桥下沟内水流为降雨汇集地面径流,流量较小,6~8月份汛期沟底到箱梁底面高差为3~5m。沟底地面为凹凸不平风化岩。由于该桥位于上水库大坝施工主干道上,其施工进度快慢直接影响大坝施工进度,因此,业主、监理要求该桥施工必须于40天内完成。桥面由单向坡向双向坡渐变,圆曲线半径较小,技术含量高,施工难度大。采用简单脚手架结构很难保证箱梁整体施工质量。经过方案比较,结合该桥技术要求和施工现场条件,决定在汛期过后,选用“土模法”进行曲线桥现浇连续箱梁施工。3.2施工工艺流程抽水蓄能电站上库路曲线桥现浇连续箱梁施工工艺流程:

  (1)“土模法”的土体填筑前,预埋涵管做好截流导水工作。

  (2)在桥墩桩砼完成后,清除箱梁范围内场地各种杂物,采用平板夯夯实基础,做为回填的基层。

  (3)测量放样,确定填筑边线与高程。

  (4)自卸车运碎石土,反铲摊铺、整平,每层松铺厚度50cm,14t振动碾碾压8遍。填筑至箱梁底面高程以下15.5cm左右。填筑碾压完成后的压实度须达到95%以上,然后按照上部箱梁重量120%对填筑体预压。

  (5)预压完成后,在填筑层上浇筑10cm厚素砼垫层找平,便于底层模板铺设。垫层每边大于箱梁设计尺寸50cm。

  (6)铺设箱梁底层模板、钢筋安装、支立侧模、安装芯模、支立腹板模板。

  (7)连续浇筑砼,完成箱梁砼施工。

  3、施工要点

  根据该桥的施工技术参数、箱梁砼的荷载确定土体的填筑质量尤其重要。

  (1)桥面、标高、坡度、超高变化位置测量放样准确,现场严格遵循放样点进行施工。

  (2)土体施工前在原过水处预埋涵管,保证山水及时导出。

  (3)土体支撑结构分层填筑、碾压,每层松铺厚度不得大于50cm,14t振动碾碾压,压实度大于95%;且土体需向上预留拱高,拱高设置根据梁高度、跨径和填筑层强度决定。经过计算,此桥20m跨最大预拱高为2cm,最大拱高设在跨中处,其余按线性分配。

  (4)土体支撑结构检测采用单位面积上箱梁重量120%的重量值对碾压填筑地基进行预压,测量土体沉降变化。沉降变化值满足模板变化规范值,以确定碾压后土体基础是否需要再加固或调整预留拱高的设置值。本工程土体施工完毕后,20m跨最大沉降量为1cm,在技术控制指标之内。

  (5)砼找平层施工,地基承载力满足要求后浇筑一层10cm厚C10素砼作为找平层,再在铺设9015模板做为底模,腹板外模用大块组合钢模板。

  4、经济分析

  (1)工期方面。

  曲线桥现浇连续箱梁采用“土模法”施工计26天(土模碾压成型2天,底部模板铺设安装2天,钢筋安装10天,侧模、芯模和顶板模板安装6天,砼浇筑2天,土模挖除4天)。采用“碗扣式脚手架法”施工需要37天(基础平整2天,脚手架搭设5天,底部模板铺设安装4天,钢筋安装10天,侧模、芯模和顶板模板安装6天,砼浇筑2天,脚手架拆除8天)。

  (2)施工投入方面。

  需要脚手架约2000根,租用单价:每天1.5元/根,所需材料费用为:111000元,人工费:6500元。采用“土模法”施工可以直接利用工程弃渣填筑土体支承结构,土方弃渣约2000m3,土方填筑碾压单价为:4.12元/m3,费用8240元。经过比较可以看出,本工程采用“土模法”节省施工工期11天;节省资金投入109260元。结束语“土模法”不仅在当前的工程建设之中广泛应用,而且在古代建筑物施工中也被充分地使用,是建筑先辈们智慧结晶。该法是一种简单的支撑方法,能够充分利用廉价的资源达到施工目的。曲线桥现浇连续箱梁施工采用“土模法”,经济合理,结构简单、工期短、效率高、技术难度小,易于生产。“土模法”被广泛的应用在公路、铁路、水利工程和一些其他工程建设的桥梁施工中,应用结果表明,“土模法”施工简便,施工速度快,可大幅度降低工程造价,取得了良好的社会效益和经济效益。

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