Специалисты Санкт-Петербургского государственного университета совместно с учёными Института проблем машиноведения РАН сделали важный шаг в направлении повышения безопасности инфраструктуры. Объединив научные усилия, коллектив под руководством Федора Беляева разработал уникальную математическую модель, предсказывающую поведение сплавов с памятью формы (СПФ) при сейсмических воздействиях. Эта работа обещает сделать здания и инженерные сооружения заметно более устойчивыми к землетрясениям и иным опасным вибрациям.
Сплавы с памятью формы: инновация для строительной отрасли
СПФ — передовые материалы, способные возвращаться к своей первоначальной форме после деформации. Они становятся всё более востребованным элементом сейсмо- и виброзащиты в различных областях — от гражданского строительства до машиностроения и обслуживания промышленного оборудования. Уникальная способность таких материалов к восстановлению делает их прекрасной основой для «умных» инженерных решений.
Эти сплавы одновременно гибки и выносливы, а их структурные особенности зависят от температуры. При изменениях температуры они способны менять свои физико-механические свойства: становиться жёстче или, напротив, мягче. Этот научный феномен позволяет проектировать системы, которые могут поглощать или изолировать вибрации, адаптируя свою работу под конкретные условия эксплуатации. Благодаря этим свойствам СПФ становятся ключевым элементом для долговременной защиты стратегически важных объектов инфраструктуры.
Гибкость и адаптация: преимущества СПФ
Воплощая современные подходы к строительству, внедрение сплавов с памятью формы открывает перед инженерным сообществом новые горизонты. Такие материалы способны автоматически приспосабливаться к изменениям нагрузки, что увеличивает безопасность строительных конструкций и продлевает срок их службы. В регионах, где землетрясения — не редкость, применение СПФ помогает возводить здания, способные выдерживать подземные толчки без серьёзных повреждений, а также гарантирует более высокий ресурс оборудования, подвергающегося вибрациям.
Влияние температуры и среды на характеристики “умных” сплавов
Группа исследователей под руководством Федора Беляева провела моделирование системы, включающей крутильный маятник, где учитывались такие важные параметры, как температура окружающей среды, интенсивность теплообмена и динамика приложения нагрузки. Выбор этих факторов был не случаен, ведь именно они определяют, насколько эффективно материал с памятью формы сможет справляться с внешними вибрациями.
Полученные экспериментальные данные наглядно продемонстрировали, что при медленном деформировании сплавов в обычных условиях и быстром нагружении, когда тепло не уходит, наблюдается значительная разница: температура может изменяться до 20 градусов. Быстрое воздействие делает материал ощутимо твёрже, улучшая его виброзащитные качества. Охлаждение также критично: при естественном остывании на воздухе свойства близки к адиабатическим случаям, когда теплообмен минимален. Если же использовать водяное охлаждение, процесс теплообмена ускоряется, и эффективность подавления вибраций возрастает.
Инновационные методы виброзащиты
В результате экспериментов были определены два оптимальных подхода к эксплуатации сплавов с памятью формы для защиты от вибраций. Первый метод предполагает быстрое охлаждение материала, переводя его в низкотемпературную фазу с максимальными демпфирующими способностями. Второй заключается в резком нагреве сплава с последующим охлаждением до первоначального состояния, что также улучшает его виброизоляционные свойства.
Скорость воздействия оказывает существенное влияние на работу системы: при резких нагрузках материал хуже справляется с вибрациями, но предварительное охлаждение способно устранить этот недостаток. Всё это на практике позволяет проектировать высокоэффективные виброзашитные и сейсмозащитные устройства нового поколения.
Значение модели для современных инженерных решений
Разработанная сотрудниками Санкт-Петербургского государственного университета и Института проблем машиноведения РАН механическая модель СПФ учитывает важные тепловые процессы, которые ранее часто были вне поля зрения проектировщиков. Благодаря такому подходу появляется возможность гораздо точнее подобрать оптимальные сплавы, рассчитать их режимы эксплуатации и повысить долговечность всей системы виброзащиты.
Новое решение также открывает путь к созданию полуактивных систем с функцией программного управления: теперь можно создавать адаптивные технологии, способные мгновенно отвечать на изменяющиеся внешние воздействия. Это особенно актуально для современных городов, где безопасность и технологичность становятся главными приоритетами.
Оптимизм научных открытий и перспективы развития
Результаты исследования коллектива под руководством Федора Беляева наглядно демонстрируют высокую значимость междисциплинарного подхода в решении задач сейсмоустойчивости и виброзащиты. Научная модель Санкт-Петербургского государственного университета и ИПМаш РАН уже находит применение в практике проектирования зданий, мостов и других инженерных сооружений, а её перспективы вдохновляют инженеров и строителей на создание ещё более надёжных объектов.
Использование сплавов с памятью формы в качестве инновационных виброизоляционных решений показывает, как научные открытия возвращают уверенность в завтрашнем дне для миллионов людей, живущих в сейсмоопасных регионах и работающих на потенциально критичных объектах. Оптимистичный взгляд в будущее подтверждается быстрым внедрением новых технологий: защита конструкций становится эффективнее, а значит, и наша жизнь — безопаснее.
Источник фото: macrovector / фотобанк Freepik
Источник: scientificrussia.ru
