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智能材料在土木工程中的應用探討論文（通用6篇）
各種智能材料在土木工程中得以廣泛應用，對于提高土木工程的安全性、適用性、耐久性具有極為重要的意義，下面是小編搜集整理的一篇探究智能材料在土木工程應用的論文范文，供大家閱讀參考。
智能材料在土木工程中的應用探討論文 篇1
摘 要：隨著人們對土木工程質量和使用功能的要求不斷提高，包括光纖、壓磁、壓電、記憶合金等各種智能材料在土木工程領域得到了廣泛的應用。文章介紹了智能材料的概念、特點及其在土木工程中的應用情況，并展望了其在未來的應用趨勢。
關鍵詞：土木工程;智能材料;應用
前言
隨著人們對土木工程質量和使用功能的要求不斷提高，包括光纖、壓磁、壓電、記憶合金等各種智能材料在土木工程領域得到了廣泛的應用，有效解決了土木工程中結構構件的強度和剛度變化以及形變等問題，有關智能材料的研究越來越受到世界各國研究人員的重視。
1 智能材料的概念
有關智能材料(Intelligent material)目前在世界范圍內還沒有一個統一的概念，但通常來說，智能材料就是指本身具備感知外部和內部環境的變化，對之進行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進行適度響應的智能特征的材料。在土木工程領域，智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料后的第四代材料。
2 智能材料的特點
在土木工程中，智能材料根據其功能特點的不同可分為感知材料和智能驅動材料兩大類，其中感知材料就是自身可感知外界環境或內部刺激的材料，而智能驅動材料是指當外界環境因素或內部狀態發生變化時可對這種變化做出響應或驅動的材料。總體上來說，智能材料主要有七個功能，即：
(1)感知功能：可對外界或內部的刺激進行監測和識別;
(2)反饋功能：將監測到的內容傳輸、反饋;
(3)信息識別和積累功能：對反饋的信息進行識別和記憶;
(4)響應功能：對外界和內在變化進行及時、靈活的響應;
(5)自診斷功能：對于信息進行診斷、分析;
(6)自修復能力：按照設定的方式對故障進行修復;
(7)自適應能力：在外部刺激消除后可自行恢復到原狀態。可見，智能材料可實現結構或構件的自我監控、診斷、檢測、修復和適應等各種功能，實際工程中，要想實現這么多功能一般需要多種智能材料的組合來達到目的。
3 智能材料在土木工程中的應用
土木工程中應用的常見智能材料有光導纖維、壓電材料、壓磁材料、形狀記憶合金等等。
3.1 光導纖維
光導纖維簡稱光纖，是一種纖維狀的光通信介質材料，普遍用于各種高要求的通信傳輸中，具有傳輸速度快、無信號衰減、并行處理能力強、信息容量大等多種優點。在土木工程中，可充分利用光導纖維的特點，將其用于監測、傳感以及信息遠距離傳輸等，目前較成熟的做法是將光纖埋置于混凝土結構中，作為傳感原件，以實現對混凝土結構的監測、診斷、分析等功能。眾所周知，混凝土結構具有抗拉強度較差、鋼筋易銹蝕等缺點，而且在大體積混凝土澆筑過程中由于結構內外溫差較大容易出現溫度裂縫，此時通過光纖作為傳感元件即可實現對混凝土內外溫差的`監控，當出現內外溫差高于設計要求時，光纖可及時將信息反饋給管理人員，實現即時報警，以便及時采取措施控制內外溫差，提高混凝土結構的施工質量。
3.2 光導纖維的應用
光導纖維由外包層與內芯構成，是一種纖維狀光通信介質材料，該材料采用先進的信息傳輸技術起初用于通信傳輸系統，由于作為信息載體的光子在速度與容量上高于電子，因此得到較為迅速的發展。光子所具有的高并行處理能力與高信息率，潛力在信息容量與處理速度得到充分發揮。光纖材料在監測、傳感及信息遠距離傳輸等方面得到應用，將光纖作為傳感元件埋入傳統混凝土結構中針對結構方面各項指標實現自動監測、診斷、控制、預報及評價等功能，而且將形狀記憶合金等驅動元件埋入，有機結合信息處理系統與控制元件，使混凝土結構具有智能功能，進而實現混凝土結構自我診斷與修復。在土木工程結構診斷及主動控制地震響應中，光纖材料一直作為設計傳感器的一種比較理想的材料，我國目前也已將其用于檢測評定三峽大壩。
3.3 壓電材料
壓電材料是指受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。在土木工程領域常將其用做對結構振動、形變等進行感知的元件，當前，對于壓電材料的研究主要集中于實現對結構振動的主動控制中，這也是未來的發展趨勢。工程實際中常用作建筑物對噪聲的主動控制、靜變形控制的傳感器，以及對建筑物結構安全性、健康狀況進行監測和評定等。
3.4 壓磁材料
在土木工程中，常用的壓磁材料包括磁流變材料和磁致伸縮智能材料等。磁流變材料的工作原理是在外加磁場的作用下，磁流變液懸浮體系的流變性能發生變化，且當磁場強度高于臨界場強時，磁流變體迅速由液態轉變為固態，因此可在電視塔、超高層建筑以及大跨度橋梁中可利用壓磁材料的這一性質實現對地震的半自動控制，將地震對建筑物的破壞大幅降低。此外，磁致伸縮材料由于具有較強的磁致伸縮效應使其在電磁和機械之間可進行可逆轉換，在土木工程領域的應用前景被廣泛看好。
3.5 形狀記憶合金
形狀記憶合金是具有形狀記憶效應的一種智能合金材料，在將其形狀改變后，在一定的條件下其形狀記憶效應可被激發出來，產生強大的回復應力和回復應變，同時形狀記憶合金也具備較強的能量傳輸儲存能力，因此在土木工程中可將其置于結構中，實現對結構的自我診斷、增加材料的韌性和強度等，在結構出現變形、裂縫、損傷以及受到外界振動影響時，較大部分的能量都可被形狀記憶合金吸收并耗散掉，因此增加了結構的安全可靠性，最常用的是利用其這一優點實現對地震作用的被動控制，工程實踐中，將形狀記憶合金安置于結構層間、底部或建筑物四角等受地震力作用較大部位，實現對地震能量的吸收和消耗。
4 結束語
綜上所述，各種智能材料在土木工程中得以廣泛應用，對于提高土木工程的安全性、適用性、耐久性具有極為重要的意義，同時由于智能材料本身具備的自動監控、傳感、修復、自適應等能力對于發展主動式智能建筑具有十分重要的現實意義，對于改變傳統建筑的使用功能和抵御地震、颶風等自然災害的能力具有重要作用，當前在我國智能材料的研究和應用還處于相對落后的局面，但相信隨著人們對智能材料的認識越來越深，更多的智能材料將被用于土木工程領域。
參考文獻
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智能材料在土木工程中的應用探討論文 篇2
1、智能材料在土木工程中的應用
1.1光導纖維在混泥土材料的監控
光導纖維材料，是一種光通信介質，其最大優點是傳輸速度快、信號衰減低和并行處理能力較強，經常被用于高要求的通信傳輸中。光導纖維和光纖傳感器在土木工程中，主要用于對混泥土固化的監控。混泥土結構最大的缺點是抗拉強度弱、內部鋼筋容易被腐蝕等，在大面積澆筑過程中由于混泥土結構內部和外部溫度差異而導致混泥土塊體出現裂縫。這種情況下，將光纖作為傳感元件埋入混泥土結構中，對結構的強度、溫度、變形、裂縫、振動等可能引起混泥土結構損傷的危險因素進行檢測、診斷、預報。更進一步，如果控制元件能接入信息處理系統，并引入形狀記憶類金屬等智能材料，形成完整的控制系統，將能實現混泥土材料的自適應功能———這正是目前智能材料結構系統在土木工程中應用的前沿課題。
1.2壓電材料
壓電材料一般是指在收到壓力后，材料兩端會出現電壓的晶體材料。壓電材料在土木工程中的應用主要包括對于結構的靜變形控制、噪聲控制和抗震抗風等領域。傳統的壓電材料使用方法是通過壓電傳感元件對結構的震動進行感知，利用傳感器輸出結果，從而實現對于震動的感知和預警。在此基礎上，采取合適的控制算法對壓電體的輸入進行控制和定量，從而實現對于結構震動的控制，這是目前壓電類智能材料的研究前沿。隨著研究的深入和技術的進步，壓電類的智能結構土木工程中的應該越來越廣泛。
1.3壓磁材料
壓磁材料在土木工程中的應用主要包括磁流變材料和磁致伸縮材料。基于磁流變材料的原理，當磁場的強度高于臨界強度時，磁流變在極短時間內從液態向固態轉化。在介于固液體之間可根據磁流變液特點具有的快速、可控及可逆性質，控制流體特性實施時需要較低的能量，因此在智能結構中通常將磁流變液作為動器件的主要材料。基于這點，磁流變材料可用于高層建筑的結構中，實現對地震的半主動控制。因為潛在應用前景的廣闊，使得磁致伸縮材料近年來得到很大關注。磁致伸縮材料具有強烈的磁致伸縮效應，這種材料可以在電磁和機械之間進行可逆轉換，這種特性使其可以用于大功率超聲器件、聲納系統、精密定位控制等很多領域。
1.4形狀記憶合金
形狀記憶合金是一種具有形狀記憶效應的智能材料。形狀記憶合金的形狀被改變后，在一定條件下能激發其形狀記憶效應，這一過程中，材料產生高于700兆帕的回復應力及8%左右的回復應變，同時具有較強的能量傳輸儲存能力。基于這一特性，形狀記憶合金在土木工程中最大的用處是用于各種結構中來實現結構的自我診斷、增加材料的韌性和強度等、增強材料的適應控制。形狀記憶合金還可以被研制成智能驅動器，用于對結構變形、裂縫和振動方面的控制。形狀記憶合金具有較高相變回復力，結合該特性能夠研制開展形狀記憶合金被動耗能控制系統，該系統可實現相變偽彈性性能，可在土木工程結構中用于耗能抗震的.被動控制。目前的土木工程實踐中，通常在結構層間或底部等受地震作用較大的位置安置形狀記憶合金被動耗能控制系統，用于實現耗能系統對結構的層間變形的感知，進而起到消耗地震能量的作用。
2、智能材料的優點局限性
土木工程中應用的智能材料具有反饋信息、自我診斷、自我修復、自適應能能力，實踐也表明，智能材料在實際土木工程中的應用使得工程結構具有高強度和耐久性等特點，同時能智能化地執行指令，能較好的適應外部環境的變化。但上述的光纖、形狀記憶合金、壓電和壓磁等材料，本質上屬于高智能復合材料，其最大的局限性在于使用成本很高，造價太貴。這一缺點，使得目前對于智能材料的應用智能局限于檔次較高、標準較高的建筑工程，智能材料在普通民居建筑中的應用還遙遙無期。另外，智能材料的應用需要相應的技術和配套材料設備的配合支撐，在施工中對于施工技術和工藝的要求較高。因此，但就目前看，對智能材料的應用還不可能實現全方位的廣泛普及，但是，智能材料可能是未來土木工程材料的研究和發展方向。
3、結束語
綜上所述，智能材料在土木工程中的應用彌補了傳統建筑結構適應環境能力弱的缺點，將建筑結構需要人為檢測轉向建筑結構帶自我檢測、調整和適應功能。目前智能材料的應用還局限在少部分高要求和高標準的建筑項目，科學界對于智能材料以及相關技術和配套設備的研究，是未來智能材料能廣泛應用與土木工程結構的前提和基礎。
智能材料在土木工程中的應用探討論文 篇3
引言
隨著材料技術的快速發展，越來越多的高新技術被運用到工程材料的研發中，各種新型材料層出不窮，以復合材料為基礎發展而來的智能材料，為解決相應材料的力學問題提供了科學牢靠的途徑。作為有著多學科交叉背景的綜合學科，智能材料為土木工程中日益復雜的結構提供了實現的可能性，因此這一學科的研究也日益受到重視。諸如大跨度橋梁、高層建筑、水利樞紐、海洋鉆井平臺以及油氣管網系統之類的基建設施，在其較長的使用期中，外界各種不利作用會使得組成這些結構的材料發生不可逆的變化，從而導致結構出現不同程度地性能衰減、功能弱化，甚至會誘發重大工程事故。若是能將智能材料運用到對這些超規模的工程結構物中，能夠時刻評定相應的安全性能、監控損傷，并智能修復，則將為未來工程建設提供新的發展思路。所謂智能材料，是指隨時能夠對環境條件及內部狀態的變化做出精準、高效、合適的響應，同時還具備自主分析、自我調整、自動修復等功能的新材料。受仿生學科的啟發，其目標是要開發出能運用到具體工程中、將無機材料變得有生命活力。二十世紀90年代初逐漸興起的智能材料結構系統，吸引了包括物理、化學、電子、航空航天、土木工程等領域的研究者涉足其中，取得了豐碩的成果。
1、智能材料的概念及特點
智能材料發源于“自適應材料”（AdaptiveMate-rial），在Rogers和Claus等人的努力下，智能材料系統逐漸受到全世界各國官方機構的認可與重視，發展迅速。智能材料（IntelligentMaterial，IM）當前沒有一個明確的定義，不過大體上都是根據功能做出相應的定義，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料，具有不可限量的前景。智能材料產生的背景決定了其所具有的獨特優勢，決定了其終將會帶來材料科學的重大革新。通常而言，智能材料主要以下七大功能：
（1）傳感：能夠對內外部的作用進行監控與鑒別；
（2）反饋：將監控獲取的信息進行傳輸以及反饋；
（3）信息識別與積累：識別并記憶反饋來的信息；
（4）響應：對內外部的變化做出靈活有效的反應；
（5）自診斷：對內外部信息實施自行診斷、分析、評判等；
（6）自修復：依特定的方法修復系統的故障；
（7）自適應：待外部作用消失后可恢復原狀。
在具體的工程中，若要實現這么多的功能，僅僅依靠單一材料是無法實現的，因此通常情況下都是通過多種智能材料的組合才能達到目的。
2、智能材料在土木工程結構中的應用
2.1光導纖維
光纖維的主要化學成分為二氧化硅，作為信息傳遞的絕佳介質，有著其他任何材料無法比擬的傳導能力。材料主要由內層圓柱形透明介質和外層圓環形透明介質組成，內層為纖芯，外層為包層。內外層折射率的差異能夠保證攜帶信息的光在纖維里面能量損失少，傳輸距離大。將光纖維植入到混凝土結構中，制成光纖維混凝土結構。當混凝土結構因外部因素的變化而產生變形時，植入砼結構中的纖維也隨之發生變化，進而導致纖維中的光發生改變，相應的傳感器能夠直接獲取變化，從而間接確定混凝土結構的各種性能變化，實現對結構的全方位監測，為工程的可持續性提供技術指導。并且，分布監控的模式可保證混凝土結構任何部位的改變均能被監測到，相當于在混凝土結構中創造了一個全覆蓋、光角度、無死角的監測網絡，兩者組合而成的光纖維混凝土可以認為是一種具有強大自我調節的智能材料。當前，光纖維混凝土結構主要的工程應用包括：混凝土的溫度及溫度應力監測、混凝土結構裂縫的監測與診斷、混凝土結構強度與變形監測、混凝土結構配合的鋼索應力和變形監測等。
2.2形狀記憶合金
何謂記憶合金，即材料具有形狀記憶能力。當材料的形狀被改變后，其內在的記憶效應可被激發出來，進而自動產生回復應力與應變，驅使材料恢復原狀。同時，合金材料能夠傳輸能量并實現能量儲存。鑒于此，工程中可將記憶材料安置在結構中，當結構出現變形、裂縫、損傷以及外界動荷載影響時，大部分的能量可被記憶合金材料消耗掉，可極大提高結構的穩定性，若將材料運用到多震地區的建筑結構中，則會實現對地震能力的吸收與耗散，極大地提高建筑物的抗震性能，此舉屬于材料的智能被動控制。形狀記憶合金材料所具有的相變超彈性，使其可用來制作耗能阻尼器，這種阻尼器實現了智能被動控制。同時，由于其相變會引起超彈性滯回環的產生，使得材料具有極高的抗疲勞性，以此為基礎制作的阻尼器使用周期遠勝于普通的阻尼器，可實現結構品質的大幅度提高。
2.3壓磁材料
土木工程領域中常規的壓磁材料主要包括磁流變材料和磁致伸縮智能材料等。在外部磁場作用下，磁流變液懸浮體系的黏彈塑性會發生明顯的變化，并且這種變化是可逆的。當外部磁場超過一定強度后，磁流變也會在極短的時間內變成固態，微觀上表現為材料的分散相顆粒沿著磁場方向結成了鏈狀結構。磁流變液介于液體與固體之間的這種獨特的可變屬性，以及對這種特性實施控制時耗能低、變化范圍廣、成本低等特性，使得磁流變液成為工程結構中作動器件的重要材料。當前，磁流變液主要被應用到元器件的控制橋路以及電源的高速開關等多個領域。且磁流變液在土木工程領域的應用主要集中在高層建筑、塔形建筑物、大跨框架和大跨度結構等。同時，有著高磁致伸縮效應的磁致伸縮智能材料，可以保證材料在機械與電磁直接進行可逆轉換，因此具有廣闊的應用前景。
2.4碳纖維混凝土材料
工程中混凝土的作用范圍很廣泛，因此對混凝土材料的改善也日益得到科研人員和工程從業者的支持，碳纖維混凝土的產生正是這一領域發展的重要產物，在混凝土中摻加一定比例的碳纖維，可賦予混凝土材料以驅動功能和本征自感應。作為一種高強度、高彈性、大導電性的材料，碳纖維的加入能極大改善混凝土的強度與韌性，并且碳纖維之間會形成具有電阻的導電網絡，在材料中起到阻隔導電的勢壘，大大降低混凝土材料的電阻率，從而使得材料的導電能力得到數量級上的顯著變化。不可忽視的是，這種混凝土的電導率與溫度及應力的變化而表現出規律性的響應。同時，碳纖維混凝土在溫度上表現為溫度變化造成電阻的變化，并且材料內部的溫差也會衍生出熱電效應，在電場的作用下碳纖維混凝土會產生熱變效應（熱效應與變形）。碳纖維的含量和混凝土材料的結構共同影響材料的溫敏性，當碳纖維的含量超過一定比例時，材料才有可能形成較為穩定的`電動勢。而碳纖維的摻入方式主要有兩種：短切亂向分布和連續碳纖維束單向增強。采取不同的摻入方式能使得碳纖維混凝土的力學性能得到不同程度的強化與提高，工程實踐表明：第一種方式更具有實用性。
2.5壓電材料
具有壓電效應的壓電材料，經常被用作驅動元件和傳感元件。當壓電材料受到外部因素作用時會因為其自身發生變形而產生電勢，而對材料再施加一定電壓時又會改變材料的尺寸，壓電效應由此而來。利用這一特點，壓電材料可用作傳感元件，通過壓電元件的變化來判斷元件所在位置處結構的變形量。與此同時，若能在壓電元件外部形成電場，進而對壓電元件內部的正負電子施加定向電場力，從而迫使元件發生變形，制成驅動元件。利用驅動元件，可改變材料的應力狀態，甚至會影響材料的結構變形。壓電材料的變化均在極短時間內完成，因此壓電效應主要適用于對結構振動的控制上。
3、智能材料的未來發展
3.1智能材料性能的發展
智能材料有著獨特的優越性能、廣闊的發展前景，但是由于這一領域處于多學科交叉的研究前沿，所存在問題也亟待深究：
（1）形狀記憶合金的發現，改變了很多傳統理念，胡克定律在合金材料這里基本上不再適用了，其所具有的智能功能使得傳統的力學研究方法難以合理地解釋其內在的機理，因此需要研究者另辟蹊徑，從宏觀與微觀的角度重新去探究這種新材料的原理，建立一些實用性較強的理論和模型，以對具體的工程實際進行規范化的指導。同時，當前形狀記憶合金還不完善，耗能高、功能單一等缺點使得其實用性不強，能夠開發出低能耗、出力大、多功能的控制器則是未來研究的重要方向。
（2）可以預見，壓電材料將會成為工程結構中力學測量的首選感測元件，但是其存在的主要問題就是驅動力小，雖然已經有一些技術來彌補這一缺陷，但是對于大規模的土木工程結構而言，壓電材料并不能直接應用，復雜的理論分析、高難度的集成技術研發，以及壓電驅動器的開發技術和設計方法難度較大，都是制約壓電材料未來發展的瓶頸，是研究的難點、熱點和重點。
（3）壓磁材料所面臨的問題是在長期的放置之后，會產生固體顆粒沉降，這種沉降對材料的穩定性有著怎樣的影響效應也需要更深入的研究。并且，其溫度適應范圍較小，若能夠拓寬溫度作用范圍，將使得壓磁材料有著更廣的發展前景。
3.2智能材料研究難題
針對材料本身所面臨的主要問題，未來在土木工程領域的應用研究主要有下列一些難題：
（1）結構的健康監測與保養；
（2）形狀自適應材料與結構；
（3）結構減振抗震抗風降噪的自適應控制。
這些問題的進一步研究將有助于工程質量的提高，有助于降低工程災害性事故的概率，有助于強化工程的安全可靠性，有助于推動土木工程領域的高技術發展，有助于為土木工程領域注入新的發展動力與機遇。
智能材料在土木工程中的應用探討論文 篇4
隨著科技的發展與進步，一些人類不愿意甚至不能夠做的事情(如工作環境差、勞動強度大、危險程度高等的工種或工序)已經開始利用機器人去實現，例如汽車制造工業中應用的焊接機器人，完成減速器殼體、汽車座椅、汽車燃油箱、汽車車身等的焊接工作[1]。生產力的發展使機器人得到快速的發展，智能科技化程度也越來越高，不僅部分解放了人類的雙手，而且提高了生產效率，降低生產成本。智能機器人除在工業生產中的廣泛應用外，在一些服務行業也越來越受到人類的青睞。 2016年5月媒體報道，河北保定一家餐廳引進智能送餐機器人當“跑堂”，機器人“服務員”每次充電后可持續工作約8h，具備自動送餐、空盤回收、菜品介紹等功能[2]。機器人甚至可以深入到深海地區探測海底情況，完成人類根本做不到的事情。據新華社報道，我國自主研發的水下機器人“潛龍二號”成功地對西南印度洋脊上的熱液活動區開展了試驗性應用探測。在這種被稱為“海底黑煙囪”的復雜地帶，“潛龍二號”獲得了熱液區的地形地貌數據、發現多處熱液異常點，拍攝到硫化物、玄武巖和海洋生物等大量照片，取得了大洋熱液探測的突破[3]。由此，機器人從最初的僅僅可以完成一些簡單動作發展到能夠感知環境的變化，并根據外部環境做出反應，完成相應動作，即人們所說的智能機器人。而智能材料可以通過自身表層或內部結構獲取關于環境條件及其變化的信息，隨后進行分析、判斷、處理，通過組織結構的改變實現功能的更新，實現與外部環境相適應的目標，所以其具有類似于生物智慧的系統或結構。故這類材料可以為機器人智能化的實現提供更多的可能。
一、智能機器人的結構組成
自從1959年世界上第1臺工業機器人由美國人英格伯格和德沃爾制造成功以后，機器人經歷了由完成簡單操作功能的機械手到智能機器人的變革。目前的智能機器人已經具有了類似人的思維、判斷能力，擁有強大的感知系統，并可以根據外部環境的變化實現自主學習和自我調整，并根據經驗的積累進行自我安排，完全獨立的工作[4]。
智能機器人主要由機械裝置、信息采集與智能控制等部分組成[5]。機械結構系統是機器人的主體，由基座、手臂、末端執行器3大件組成。基座一般由金屬材料加工制造而成，要求具有一定的強度、剛度及穩定性，研制強度高、質量輕的材料可以既保證其強度、剛度要求，又降低其質量，節約能源消耗，同時新型材料的使用使得智能機器人在較惡劣環境下工作成為可能，拓寬其應用領域，減輕人類負擔。
信息的采集主要依賴于傳感技術，傳感器的使用使得智能機器人可以像人類一樣擁有“眼睛”、“耳朵”、“鼻子”，對看到的、聽到的、感受到的、接觸到的環境信息如溫度、壓力、聲音、障礙物等信息進行采集，通過對比行動的目標信息，對采集到的數據進行分析、篩選，獲得完成指令所需的信息。而傳感器材料的優劣直接影響了傳感器性能的好壞，傳感器材料是智能機器人智能化的重要支撐。
控制部分的功能是實現機器人接收從傳感器反饋回來的信息并形成作業指令以及驅動機器人執行相應任務。控制技術是智能機器人將信息采集與分析、形成行動規范的核心，是智能機器人完成各項任務的重要組成部分。而智能控制系統的智能程度與控制器的材料密不可分，也是智能機器人實現靈活行動、復雜動作等的重要支撐。
綜上，智能機器人的智能化與智能材料的功能化密不可分，智能材料不僅要具備良好的力學性能，同時又需要具備一些特殊功能，即能感知所處的內外部環境變化，并能通過改變自身的物理性能或形狀，從而實現自診斷、自適應、自修復等功能。智能材料的快速發展與應用促使智能機器人在實現動作、對外界刺激的快速反應等方面取得了明顯的進步，對智能機器人智能化的實現發揮著巨大作用。
二、智能材料的發展
智能材料是一種可以利用組織變化或形態變化反映對外部環境刺激的感應并匯總成可靠的信息，然后進行自我調整以適應外部環境的刺激的材料。智能材料是高科技材料，代表了材料科學發展的前沿技術，是智能機器人實現智能化的重要手段，是功能材料和結構材料的有機結合[6]。智能材料的研制和大規模應用將導致材料科學發展的重大革命，隨著智能材料功能的逐步深入研究，智能材料的應用領域也在逐步擴大。
1.智能材料的特征
智能材料的開發與研究源于仿生材料，因此智能材料系統具有或部分具有生命運動的一些特征：
①傳感功能：即對外界環境及其它信息的接受能力，如感知到外界及自身所處的環境條件，如溫度、載荷、聲音、水壓、障礙物等。
②反饋功能：如同人體的神經系統，能夠對采集到的信息與設定指令進行對比與分析，形成合理的判斷并反饋給控制系統。
③信息識別與積累功能：主要是對采集信息的分辨能力以及匯總和儲存的功能。
④響應功能：對接收的信息進行判斷與分析后形成初步的行為規范并指導動作過程。
⑤自診斷能力：將系統目前狀況與常規狀態進行對比分析，發現故障并進行校正。
⑥自修復能力：對一些系統損傷或破壞能夠進行自我修復。
2.機器人中智能材料的應用
一般來說智能材料在機器人的結構中主要用于基體材料、敏感材料、驅動材料等。
(1)基體材料
為主要的結構材料，用來承受一定的'載荷，一般以輕質材料為主。通常選用高分子材料，不僅密度小、耐腐蝕且具有粘彈性。當然一些輕質的金屬材料也可用作基體材料。
(2)敏感材料
敏感材料主要起傳感的作用，采集外界環境的信息如溫度、壓力、PH值、電磁場等。用得較多的敏感材料有壓電材料、形狀記憶合金、光纖材料、磁致伸縮材料等[7]。
(3)驅動材料
驅動材料是機器人能否根據相應指令完成規定任務的重要保障，源于其在一定條件下，可產生一定的應變和應力，常用的有效驅動材料有形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等[8]。
綜上，有些材料可以起到多重作用，例如形狀記憶材料、壓電材料既可以作為驅動材料又可以作為敏感材料使用，這為智能材料的設提供了思路。
三、智能材料在智能機器人中的應用
1.傳感器材料
伴隨材料科學的發展，傳感器技術日益成熟，種類多種多樣，早期常選取半導體材料及陶瓷材料，近年來由于光導纖維、超導材料的研究開發，各種傳感器也隨之更新換代。例如，較先進的紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現代傳感器，選用以硅為基體的半導體材料，利用其易于微型化、多功能化、智能化的特點，借助于半導體光熱探測儀器的靈敏度高、精度高、非接觸性好的性能特點。陶瓷材料和有機材料的快速發展帶動了敏感材料的發展，不斷地優化配方，精密調配原料，經高精度成型燒結，研制成新的敏感材料，用于制成新的傳感器。此外，有機高分子敏感材料也是頗具應用潛力的新型敏感材料，可制成濕敏、光敏、氣敏、熱敏、力敏、生物敏和離子敏等傳感器。
另外，可從2方面著手研究提高傳感器的性能，一是采用敏感度更高的感性元件，二是研究新型的檢測方法以及更加精確的信號處理方法。例如，日本基恩士公司采用CMOS感光材料制成數字激光傳感器，測量精度可達0.5mm，且表面材質對其基本沒有影響，智能機器人對目標物體的定位更加精準[9];導電橡膠的電阻也會隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的敏感材料[5];擬人化皮膚傳感器利用一種具有壓電和熱釋電性的高分子材料研制而成 [5]。利用高分子凝膠、合金材料等制成的力傳感器可以很好地模擬生物體的運動功能提高機器人抓取動作的靈活性。
2.形狀記憶合金
形狀記憶合金(SMA)通過檢測外界環境如溫度或位移的變化，從而將熱能轉換為機械能，如果能夠很好地控制加熱或冷卻，即可獲得重復性很好的驅動動作。用形狀記憶合金制作的熱機械動作元件具有體積小巧、結構簡單、控制方便、成本低廉等優點。近年來，隨著形狀記憶合金的產業化，該材料的優點逐漸凸顯出來，越來越多地被應用到智能機器人的某些零部件中。如用形狀記憶合金可制作成機器人手足、觸覺傳感器、機器人元件控制器及筋骨動作控制等。早在 1986年，日本生產的機器人中就采用了形狀記憶合金，可見日本很早就開始了這方面的研究。目前日本關于形狀記憶合金應用于智能機器人的研究較成功，走在世界的前沿。有報道稱日本成功將形狀記憶合金應用到海底機器人和微型機器中，所研發的一款深海機器人，可以自動勘探包括鈷在內的海底稀有金屬資源 [10]。
形狀記憶材料的一個特點就是動作柔和，被用在某些需要進行力量控制的智能機器人上。例如智能機器人夾持器，它是機器人末端執行器之一，一般由手指、傳動機構和驅動裝置組成，是機器人結構中的一個重要組成部分。用來直接抓取和握持工件，以達到約束被夾持工件的自由度，而對其進行位置控制的目的。作為電驅動器，可替代電磁螺線管、伺服馬達、液壓或氣動裝置，SMA驅動器設計簡單、結構緊湊、無噪音、成本低。SMA驅動器往往設計成偏動式和差動式驅動器，這類元件尤其適用于可轉動的機器人關節。
形狀記記合金還可作為驅動元件應用到智能機器人中，如形狀記憶合金電機(SMAA)。溫度升高時，SMA材料發生形狀回復，溫度降低時形狀保持不變，借助于輔助元件，將電機形狀變化轉變成位移的變化，可見通過合理控制溫度的升高或降低，SMAA可將熱能(溫度的變化)轉變成機械能(位移的變化)。同時若再輔以一定的偏動或差動裝置，可實現雙向運動。SMAA結構較簡單、易于控制;尺寸較小，易于實現智能機器人的微型化;動作連續可控，易于模仿人類的手臂;同時受溫度及惡劣環境的影響較小;環保無污染。形狀記記合金的主要研究方向著眼于從機械手、機器人關節、手爪的驅動等。
3.壓電材料
當前，智能機器人可以通過“壓電效應”把壓力轉換成電信號，從而讓機器人可以產生觸覺。目前已經投入應用的新型壓電材料主要有壓電半導體和有機高分子材料。
(1)壓電半導體
有些晶體既具有半導體特性又具有壓電特性，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鎬、砷化鈣等。利用其壓電特性可加工成傳感器，半導體特性可加工成電子器件，如果將2者結合，則可以實現組件與線路的一體化，制成新型集成壓電傳感器。
(2)有機高分子壓電材料
一些有機高分子聚合物，經延展拉伸和電極化后所形成的高分子薄膜具有壓電性，如聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯等。獨特的優點是質輕柔軟、抗扯強度高、耐沖擊。另外，在高分子化合物中摻雜壓電陶瓷鋯鈦酸鉛或鈦酸鋇制成的高分子壓電薄膜。
4.磁致伸縮材料
所謂磁致伸縮材料是指材料在交變磁場的作用下，一方面會發生長度的變化，進而產生位移，從而將電能轉變成機械能;若產生反復伸長或縮短也即振動，也可將電能轉變成機械能。另一方面，該材料若受到拉深、壓縮力的作用改變了其長度，則材料內部磁通密度也因此發生相應變化，從而在線圈中產生感應電流，將機械能轉換為電能。故此為能量與信息轉換的功能材料。可將此特性用于智能機器人進行海洋探測。
四、結語
智能機器人的時代已經開啟，我們夢寐以求的智能時代正一步步向我們走來。我們渴望智能機器人可以擁有比人類更聰明的大腦，更嚴謹的分析、判斷復雜外界環境的能力，擁有更堅實的“身體”，更靈活的步伐。而智能機器人智能的提升離不開機械學、力學、電子學、生物學、控制論、人工智能、系統工程、材料學等多學科的發展，其中智能材料的作用功不可沒。如人造皮膚智能材料，不僅可以清晰地分辨出外部環境的細微變化如溫度、熱流及各種應力大小的變化等，對于表面的一些狀況如粗糙度、摩擦力等也能夠很好地進行區分。智能材料的設計、制造、加工等均涉及到了材料學的最前沿技術，有待科學工作者的不斷深入研究與探索。盡管如此，隨著科技發展相信會有越來越多的智能材料應用到智能機器人中，智能機器人的智能化程度越來越高，在各行各業中都可以看到智能機器人的身影，智能機器人得到產業化、批量化的生產。
智能材料在土木工程中的應用探討論文 篇5
[摘要]文章在總結了“土木工程資料”課程具有內容多、實踐課程缺乏、教材內容及教學大綱滯后等特點的基礎上，提出本課程在教學方法及內容、實踐教學、考核方式等方面的一些改進措施，提高學生的綜合素質和實踐能力。
[關鍵詞]土木工程資料;教學;方法;實踐
土木工程資料是我校資料科學與工程專業的一門專業選修課，該課程主要內容包括土木工程資料的性質、用途、制備和使用方法以及檢測和質量控制方法。通過對該課程的學習，學生能更深入地理解資料組分、結構與資料性質的關系、外界環境和施工工藝對資料性能的影響，以及資料性能改善的途徑，為以后畢業設計、進行科研以及從事專業技術工作提供必要的基礎理論和技能訓練。
1、課程現狀
1.1課程內容多、范圍廣、與工程應用密切相關
土木工程資料種類繁多。根據資料的來源，有天然資料及人造資料;根據資料的功能，有結構資料及功能資料;根據資料的成分，有無機資料、有機資料及復合資料，這就使得“土木工程資料”課程的內容十分廣泛。另外，課程的理論性、概念性及經驗性的內容比較多，以文字敘述為主，而計算推理的內容相對較少。土木工程資料與工程應用緊密相連，每種土木工程資料(原資料或產品)都有相關的技術指標，有些技術指標還在不斷修改和完善。在實際工程應用中，各種資料往往構成混合資料或產品，各種資料的性能以及它們之間的相互作用對整個混合資料或產品的性能都有重要影響。另外，工程應用環境對于資料的耐久性也有重要影響。因此，土木工程資料課程既要體現各類型資料的基本特性，又要在工程應用上形成統一體系。這些因素使教和學都有一定的難度。
1.2實踐課程缺乏，經費不足
實踐教學是我國高等教育特別是高等工程教育的一個薄弱點。傳統的三大實踐教學環節(實驗、實習和畢業設計)，被越來越弱化[2]。“土木工程資料”作為我校資料科學與工程專業的一門專業選修課，同樣存在實驗設備老化、實驗經費短缺、缺乏實習基地等問題。另外，該課程的理論性、概念性及經驗性的內容比較多，且以文字敘述為主，容易使學生感到枯燥。作為在校學生，平時也無法接觸工程實踐，缺乏感性認識，如果實驗配套缺乏，更加無法調動學生的學習積極性。并且單純的理論學習，會使學生學到很多的知識“碎片”，缺乏整體性的概念。例如，只有通過實踐，才能更好地理解混凝土的耐久性是與組成資料、配合比設計、養護條件、結構和構件設計緊密相關的整體論，而不是由單一因素決定的。
1.3教材內容及教學大綱滯后
近年來，科學技術的飛速發展，以“三新”(新資料、新技術、新方法)技術為標志的'工程建設新時代已經到來[3]。工程應用的實際需要也促進了新資料的發展。例如普通磚的磚塊體積小，施工效率低，而且磚塊燒制需要毀田取土，破壞生態環境，同時消耗大量能源，而加氣混凝土砌塊不但體積大、施工效率高，而且使礦渣、粉煤灰等工業廢物得到再利用，減少了環境污染。因此這種傳統的燒結磚正越來越多地被加氣混凝土所替代。但教材內容的更新速度總是較新資料的發展速度慢，而教學大綱是根據教材內容而制定的。我校的教學大綱修訂年限較長，進一步導致授課內容跟不上新資料的發展速度，學生畢業后不能很好地滿足工作的需要。
2、教改方法
2.1結合工程案例，加強多媒體技術
在教學過程中采用工程案例教學法代替傳統的理論講授法能獲得較好的效果。因為土木工程資料中敘述性的內容較多，如采用平鋪直敘的教學方法，很難引起學生的學習興趣[4]。工程案例教學法就是利用多媒體展示實際工程中常出現的現象，然后分析問題，解決問題，使學生從感性認識上升到理性認識。這一認知過程也符合人類對事物的認知規律，因此學生容易理解和接受。例如通過多媒體展示工地上出現的石灰墻面鼓包、開裂現象，北方地區出現的路面、橋梁用水泥或混凝土剝落現象、沿海地區大壩的鋼筋裸露、銹蝕現象，以及近幾年出現的整棟房屋突然垮塌現象，激發學生的學習興趣，結合各種資料特點及施工技術分析出現這些現象的原因，提高分析、解決問題的能力，增強學生的責任心。另外，由于課程中教學內容較多，通過制作多媒體課件，將文字、圖片、動畫、實例演示等教學信息通過屏幕呈現給學生，提高教學的形象性和生動性。例如對于鋼材的拉伸性能，混凝土抗壓強度的測試，以及時間長、操作難的實驗等，通過播放錄像的方式，讓學生更加直觀地了解實驗過程和操作方法，增強了學生的感性認識，從而提高了教學質量。
2.2加強實踐教學
實驗教學對于學生基本原理的掌握和工程實踐的培養，具有舉足輕重的作用，是學生能力和素質提高的重要環節。然而由于實驗學時有限，而涉及的內容較多，并且有些實驗周期很長，無法在課堂內把所有實驗都完成，因此應采用多種方式進行。首先，在實驗課上完成基礎實驗，例如完成水泥細度、標準稠度用水量的測定，膠砂強度試件的制作，水泥凝結時間的檢測，水泥水化產物的分析，石膏制品的制作，瀝青的粘度測試等實驗。其次可以利用開放實驗室，以教師指導及研究生助教的形式，在課余時間完成設計性或綜合性實驗。例如各種礦物外加劑和化學外加劑對混凝土流動性、保水性、凝結時間、水化熱、水化產物、強度等性能的影響。教師可以提供題目，學生確定選題，然后分組完成。最后每組同學遞交實驗結果及分析報告。為進一步提高學生的實踐能力，采用校企聯合培養模式，學生利用假期到企業實習，積累實踐經驗，鼓勵部分有能力的學生直接參與企業的資料性能檢測實驗、新資料的開發研究或者實際工程項目，提高學生分析和解決實際工程問題的能力。
2.3關注學科發展前沿
教材是教學的依據和根本，但教材內容的更新速度總是較新資料的發展速度慢，因此，教師應密切關注土木工程資料研究和工程應用的最新進展以及相關技術指標的更新，引導學生及時了解學科發展動態，拓寬專業視野，培養創新意識，以適應時代發展的需要。在關注學科前沿和培養創新意識上，特別注意要根據我國國情和工程實際情況，研發符合我國工程特點的新資料。例如，在國內外，聚氨酯外墻保溫資料得到了廣泛應用，但聚氨酯的防火性較差。許多事故表明，火災造成的巨大傷害都是由于所用資料的防火性差，并且燃燒釋放出大量的毒氣而造成的。由于我國的特點是人口密度大，建筑物密集且高大，聚氨酯作為外墻保溫資料必然存在重大安全隱患。因此，要引導學生這些事故中吸取教訓，并且研發符合我國國情特點的新資料。另外，應縮短教學大綱的修訂年限，同時應把教學內容的主動權交到教師手中，緊跟時代發展步伐，固有體制會制約教學的發展和提高。
2.4改變考核方式
閉卷考試是應試教學方式中的傳統評價方法，對培養提高學生的綜合業務素質存在著一定的弊端。對于考核方式，本課程采取平時成績、實驗報告與開卷考試相結合的方式。平時成績的評定主要根據課堂出勤、上課聽講、平時作業完成情況等作為依據。平時作業緊扣教學重點，例如石灰的成分與性能的關系，骨料細度模數的計算，普通混凝土配合比設計，砂漿的配合比設計等，主要考察學生對基本知識掌握情況。實驗報告反應了學生的實踐動手能力，以及分析和解決問題的能力。本課程教材包含了大量關于資料的技術指標以及混凝土和砂漿配合比設計公式。隨著新資料和技術的發展，很多技術指標也會不斷地被修訂和完善。在信息時代，電腦能夠為人類提供海量數據，并可及時查詢，因此很多內容無需特別記憶。因此，開卷考試能夠回避很多需要記憶的內容，更多地考察學生對基礎知識的應用能力，以及分析和解決問題的能力。以上三種考核方式的結合，更能全面地考察學生的綜合素質。
3、總結
“土木工程資料”課程教學改革緊密聯系工程實例，激發學生的學習興趣，開拓學生視野;通過實驗和實踐認識促進對課堂理論知識的理解和掌握，并且注重培養學生的創新意識;通過改革考核方式，全面考察學生的綜合素質。
參考文獻
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[2]張俊,羅偉.《資料工程基礎》教改[J].廣東化工,2011,38(3):200.
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[4]蘇達根,張志杰,鐘明峰.以學為中心的網絡課程設計[J].中國遠程教育,2007,27(11):49-51.
[5]靳正國,郭瑞松,侯信,等.大資料專業“資料科學基礎”課程的教改認識與實踐[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應用探討論文 篇6
1、“土模法”應用
抽水蓄能電站上庫壩壩頭段公路泉眼溝中橋上部結構采用3×20m單箱雙室鋼筋砼直腹板箱梁，箱梁梁高1.3m，頂板標準段寬10.5m，底板寬7m，懸臂長1.75m。跨中部分箱梁頂板厚20cm，底板厚18cm，腹板厚30cm；考慮抗剪能力要求，支點附近腹板加厚至50cm；支點處設置橫隔梁，邊支點處橫隔梁厚100cm，中支點橫隔梁厚150cm；箱梁腹板等高，橋面橫坡由箱梁剛性扭轉形成。下部結構為柱式橋墩、柱式橋臺。該橋0#橋臺支座中心處橋面超高1.565%，1#橋墩中心橋面超高為6%，2#橋墩中心橋面超高為5.572%，3#橋臺支座中心處橋面為1%和0.891%的雙向坡。超高采用繞內邊緣旋轉方式。該橋位于緩和曲線、圓曲線、緩和曲線之上，圓曲線的半徑為16.807m和38.788m，轉彎半徑較小，且橋面由單向坡向雙向坡漸變，技術含量高，施工難度大。
2、施工方案的選擇
該橋下溝內水流為降雨匯集地面徑流，流量較小，6～8月份汛期溝底到箱梁底面高差為3～5m。溝底地面為凹凸不平風化巖。由于該橋位于上水庫大壩施工主干道上，其施工進度快慢直接影響大壩施工進度，因此，業主、監理要求該橋施工必須于40天內完成。橋面由單向坡向雙向坡漸變，圓曲線半徑較小，技術含量高，施工難度大。采用簡單腳手架結構很難保證箱梁整體施工質量。經過方案比較，結合該橋技術要求和施工現場條件，決定在汛期過后，選用“土模法”進行曲線橋現澆連續箱梁施工。3.2施工工藝流程抽水蓄能電站上庫路曲線橋現澆連續箱梁施工工藝流程：
（1）“土模法”的土體填筑前，預埋涵管做好截流導水工作。
（2）在橋墩樁砼完成后，清除箱梁范圍內場地各種雜物，采用平板夯夯實基礎，做為回填的基層。
（3）測量放樣，確定填筑邊線與高程。
（4）自卸車運碎石土，反鏟攤鋪、整平，每層松鋪厚度50cm，14t振動碾碾壓8遍。填筑至箱梁底面高程以下15.5cm左右。填筑碾壓完成后的壓實度須達到95%以上，然后按照上部箱梁重量120%對填筑體預壓。
（5）預壓完成后，在填筑層上澆筑10cm厚素砼墊層找平，便于底層模板鋪設。墊層每邊大于箱梁設計尺寸50cm。
（6）鋪設箱梁底層模板、鋼筋安裝、支立側模、安裝芯模、支立腹板模板。
（7）連續澆筑砼，完成箱梁砼施工。
3、施工要點
根據該橋的施工技術參數、箱梁砼的荷載確定土體的填筑質量尤其重要。
（1）橋面、標高、坡度、超高變化位置測量放樣準確，現場嚴格遵循放樣點進行施工。
（2）土體施工前在原過水處預埋涵管，保證山水及時導出。
（3）土體支撐結構分層填筑、碾壓，每層松鋪厚度不得大于50cm，14t振動碾碾壓，壓實度大于95%；且土體需向上預留拱高，拱高設置根據梁高度、跨徑和填筑層強度決定。經過計算，此橋20m跨最大預拱高為2cm，最大拱高設在跨中處，其余按線性分配。
（4）土體支撐結構檢測采用單位面積上箱梁重量120%的重量值對碾壓填筑地基進行預壓，測量土體沉降變化。沉降變化值滿足模板變化規范值，以確定碾壓后土體基礎是否需要再加固或調整預留拱高的設置值。本工程土體施工完畢后，20m跨最大沉降量為1cm，在技術控制指標之內。
（5）砼找平層施工，地基承載力滿足要求后澆筑一層10cm厚C10素砼作為找平層，再在鋪設9015模板做為底模，腹板外模用大塊組合鋼模板。
4、經濟分析
（1）工期方面。
曲線橋現澆連續箱梁采用“土模法”施工計26天（土模碾壓成型2天，底部模板鋪設安裝2天，鋼筋安裝10天，側模、芯模和頂板模板安裝6天，砼澆筑2天，土模挖除4天）。采用“碗扣式腳手架法”施工需要37天（基礎平整2天，腳手架搭設5天，底部模板鋪設安裝4天，鋼筋安裝10天，側模、芯模和頂板模板安裝6天，砼澆筑2天，腳手架拆除8天）。
（2）施工投入方面。
需要腳手架約2000根，租用單價：每天1.5元／根，所需材料費用為：111000元，人工費：6500元。采用“土模法”施工可以直接利用工程棄渣填筑土體支承結構，土方棄渣約2000m3，土方填筑碾壓單價為：4.12元／m3，費用8240元。經過比較可以看出，本工程采用“土模法”節省施工工期11天；節省資金投入109260元。結束語“土模法”不僅在當前的`工程建設之中廣泛應用，而且在古代建筑物施工中也被充分地使用，是建筑先輩們智慧結晶。該法是一種簡單的支撐方法，能夠充分利用廉價的資源達到施工目的。曲線橋現澆連續箱梁施工采用“土模法”，經濟合理，結構簡單、工期短、效率高、技術難度小，易于生產。“土模法”被廣泛的應用在公路、鐵路、水利工程和一些其他工程建設的橋梁施工中，應用結果表明，“土模法”施工簡便，施工速度快，可大幅度降低工程造價，取得了良好的社會效益和經濟效益。
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