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智能机构与智能结构的研究

学生姓名、专业仲健林

查资料、讲解

学生姓名、专业邹衍

查资料、整理

学生姓名、专业武兆平

查资料、写报告

1智能结构定义

智能结构是一种仿生结构体系，它集主结构、传感器、控制器及驱动器于一体，不仅具有承载功能，还能感知和处理内外部环境信息，并通过改变结构的物理性质使结构形变，对环境作出响应，实现结构健康自诊断、自监控、环境自适应以及损伤自愈合自修复的生命特征及智能功能，在危险发生时能自己保护自己。

智能结构系统的诞生是信息学科与工程及材料学科相互渗透与融合的结果。

智能结构已在军用航空航天，民用航空航天、汽车、船舶、土木工程及水利工程方面展现出广阔的应用前景。

它是减灾防灾的前沿问题，已在一些重要工程的结构健康监测与控制方面展现出良好的应用前景。

1.1智能结构模型

三个部分组成，上下两层为智能材料，分别充当驱动器以及传感器，中间部分是梁，常称为主结构，材料是弹性体或者弹塑性体。

当梁因为振动发生变形时，传感器会因变形在表面产生一定的电势（或电压）被反馈到上面的驱动器。

在外电压的作用下，驱动器会发生变形，这种变形会消减梁原来的变形。

这就是智能结构的工作机理。

1.2智能结构仿生学模型

2智能结构的研究现状

2.1国内现状

我国在智能结构及其系统的研究方面尚处于起步阶段，但是己经呈现出一幅“百花齐放，百家争鸣”的欣欣向荣的局面。

国家自然科学基金委员会与航空部已设立了多个智能结构的科研项目，许多高等院校与研究所己开展了这方面的研究工作。

例如对机舱内噪声控制的研究、机器人柔性臂的振动控制、铁路长轨伸缩量的控制等。

南京航天航空大学成立了智能材料结构研究所，重庆大学也成立了智能结构研究中心。

此外，上海交通大学，哈尔滨工业大学，天津大学，华侨大学，北京工业大学等等一大批高等院校和研究所的许多专家、学者奋斗在智能结构这一新型领域。

2.2国外现状

自1984年美国首先开展智能结构的研究以来，目前在美国、日本、英国、意大利等国家都己成立了智能材料机构的研究所。

日本NASDA（宇航局）和SIAS（宇航研究院）也很早就开始了有关研究计划，研究大型空间结构的形状控制问题。

日本通产省共技院把智能结构系统列入1995年开始实施的基础科学先导研究的七大项目之一。

欧洲智能材料和结构的研究以德、英、法、意为主。

欧洲工业基础研究中心（BRITE）成立了专门机构对此进行研究。

从1989至1991年，英、法、意三国的7家公司在欧共体的支持下完成了欧洲这一领域第一个合作研究计划“复合材料光学传感计划（OSIFIC）”。

2.3发展前景

智能结构系统的诞生是信息学科与工程及材料学科相互渗透与融合的结果。

智能结构已在应用航空航天，民用航空航天、汽车、船舶、土木工程及水利工程方面展现出广阔的应用前景。

它是减灾防灾的前沿问题，已在一些重要工程的结构健康监测与控制方面展现出良好的应用前景。

智能结构给各类工程结构带来重大的挑战，引起世界发达国家和许多发展中国家的极大重视，被列为优先发展的研究领域和优先培育的21世纪高新技术产业之一。

对智能材料和结构理论、技术、方法、应用方面的探索，是下个世纪工程科学技术的新学科增长点，值得我们重视。

其中，智能材料的机理和设计（尤其是多相材料的剪切力学响应）、智能结构的动力学分析（尤其是对于非线性变形的实验研究）、中央控制系统快速收敛算法的本身优化，展现相当广阔的研究前景。

长期以来，人们梦想工程结构能仿照生物体结构，具有生命，具有智能。

它们具有神经系统，能感知结构整体形变与动态响应，局部的应力应变和受损伤的情况;它们具有肌肉，能自动改变或调节结构的形状、位置、强度、刚度、阻尼、或振动频率;它们具有大脑，能实时地监测结构健康状态，迅速地处理突发事故，并自动调节和控制，以使整个结构系统始终处于最佳工作状态;还具有生存和康复能力，在危险发生时能自己保护自己，并继续存在下来。

可是在过去，这只是一场梦，然而在智能结构研究蓬勃发展的今天，这已经不再只是梦，也许明天我们就能凭借智能结构来圆我们的梦。

3智能结构构成

传感器相当于智能结构的神经元，担负的是感知外界环境变化，收集外界信息的任务。

衡量智能传感器的主要指标有灵敏度，分辨率，频带宽，电磁相容性，温度敏感性等。

驱动器相当于智能结构的肌肉，主要任务是使智能结构自适应动作，必须具有较大的肌肉力量，较小的滞后反应。

控制器相当于神经中枢，控制的对象是结构本身。

智能结构本身是分布式强耦合的非线性系统，所处的环境具有不确定性，因此控制器应具有分布式和中央处理方式相协调的特点。

3.1常见智能传感器

压电材料的电和力学性能之间呈线性关系，具有响应速度快，频率高和应变小的特点，受到压应力刺激时可以产生电信号，压电材料可以是晶体和陶瓷，但是这两种材料都比较脆。

另外还有一种高分子压电材料，称为PF2，可制成非常薄的膜，附着在几乎任意形状的表面上，其机械强度和对应力的变化要优于许多其他传感器。

光纤利用两种介质面上光的全反射原理制成。

通过分析光的传输特性（光强，位相等）可获得光纤周围的力，温度，位移，压强，密度，磁场等参数的变化，具有反应灵敏，抗干扰能力强和耗能低等特点。

半导体传感材料是未来智能结构中的主要材料，能制成与基体材料融合的半导体模块，薄片，而且尺寸会越来越薄，越来越小。

主要问题在于温度的控制。

3.2智能驱动器

形状记忆合金驱动器是由驱动元件和执行机构两部分组成。

驱动元件即SMA材料，多为丝材，片材和管材，可以根据需要做成不同的形状，规格。

传统的SMA驱动器执行的机构比较简单，有偏置式和推挽式两种。

磁流变液的剪切强度与磁场强度具有稳定的对应关系，是一种用途广泛，性能优良的驱动材料。

磁流变驱动器具有输出力大，调节范围宽，响应速度快，能耗低等特点，相对于电流变液，其工作电压只有2—25V，避免了电流变液工作电压高达几千伏带来的危险和不便。

电致伸缩传动器是利用陶瓷材料的电致伸缩效应的新型机电转换器件，一般由PLZ陶瓷材料按独立叠层工艺制作而成。

是一种高分辨率力电压控制微小应变的器件，其位移量由叠层数和电场大小控制，具有工作电压低，体积小，结构紧凑，分辨率高，响应快，滞后小，无老化现象，无发热问题等突出特点。

3.3控制元件

控制元件：

是智能结构的核心，其功能是传递传感元件所感受的信息及相关的能量，变换和识别信息，学习,预测和决策等。

常见控制元件:

压电摩擦耗能器,声纳系统,静应力传感领域

压电陶瓷是一种功能材料，它具有瞬间电致形变的特性，虽然形变量小，所需要的电场强度高，但需要很大的应力才能限制其变形，因此是一种良好的微驱动器。

根据结构减震要求，利用压电陶瓷的伸缩变形来改变摩擦片的紧固力，从而实时调节摩擦力大小，可以使得摩擦耗能器具有智能的特性，具有较好的应用开发前景。

电磁波被用于通信和探测等方面，但在水下，它却由于衰减过快而无法利用，于是人们利用声波和超声波信号来进行水下通信，探测，遥控等工作，声纳成为了潜艇的口和眼，这对材料要求极高，自从大应变和低响应频率的ReFe2压磁材料出现以来，这些问题得到了根本解决，声纳性能大大改善，海底探测距离已达到数千公里。

静应力传感器是指利用应变导致磁特性发生变化从而使输出电压也发生变化的现象，可用于磁感应变传感器检测料斗的料位。

把测力器放在料斗支持部位，当有负载（传感器自重加上内装物重）加上时，传感器端子间就产生与此成比例的输出电压及信号，经放大比较后自动触发限位开关，从而实现料位的在线监测和实时控制。

4智能结构关键技术

4.1电、磁流变材料

电流变体是高介电常数的固体微粒分散在低介电常数的绝缘油液中的悬浮液体。

当无电场作用的时候，ER流体是一种牛顿流体，在电场作用下，ER流体中的悬浮微粒产生电极化，增大了对流动的抵抗，使液体成为具有一定屈服应力的类似固体的性质。

磁流变体是由微小的磁性颗粒分散在基液中形成。

在磁场的作用下，MR流体的有效黏度，塑性黏度及弹性性能能快速可逆变化，变为具有一定屈服应力的粘塑性体。

4.2形状记忆合金

形状记忆合金材料兼有传感和驱动的双重功能,是一种智能结构中技术成熟性很高的功能材料，可以实现机械结构的微型化和智能化。

形状记忆效应（SME）即某种材料在高温定形后，冷却到低温（或室温），并施加变形，使它存在残余变形。

当温度加热超过材料的相变点，残余变形即可消失，恢复到高温时的固有形状，如同记住了高温下的状态。

SMA驱动器的动作除温度外几乎不受其它环境条件的影响，具有较好地抗外界干扰特性，采用SMA构造智能结构受到专家学者的关注利用SMA对温度的敏感特性，做成光导纤维检测系统的传感器，可以及时准确的感知温度异常发生的位置和时刻。

传感原理为SMA传感器与光导,纤维制成一体，当温度出现异常时，SMA变形使光导纤维的光导系统出现光能损失，终端得到的散光光强和时间曲线就会出现明显变化，以此判断异常温度的位置和时间。

这种传感系统可用作工厂、大楼的火灾报警装置，可以同时感知异常温度的位置和时间；同一根光导纤维可以感知多处设定点的信息,且对设置传感器的数量没有限制，设置检测点越多成本越低，传感器不用电源，安全可靠.SMA作为热（或电）驱动元件，可以替代传统的液压、马达或气动装置等。

与传统的驱动元件相比，SMA元件具有以下的优点：

①结构简单；②易于和基体材料融合做成复合材料；③变形量大，可达5％；④加热激励时能产生大的回复应力，NiTi台金的恢复应力可达500MPa；⑤可以改变结构件的刚度，从马氏体相逆变到奥氏体相后，弹性模量提高3～4倍；⑥控制简单，用电流对台金丝直接加热、自然通风冷却。

4.3压电材料

压电材料受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

当对压电元件施加机械力时，会引起其内部正负电荷中心发生相对位移，从而导致压电元件的2个表面上出现数量相等、符号相反的束缚电荷，电荷密度和外力成正比，这种现象称为正压电效应；在压电元件上施加电压，会引起元件内部正负电荷中心产生相对位移，从而造成压电元件变形，变形也与电压成正比，这种现象称为逆压电效应．利用正压电效应，可以制成各种传感元件；利用逆压电效应，则可以制成驱动元件悼j．压电材料由于其具有力学变形和电场的耦合机电效应，是一种非常理想的智能材料，可利用它制成传感元件和驱动元件，应用于智能机械系统中。

5智能结构的应用

5.1智能结构在航空航天工程中的应用

智能结构及智能材料对航空航天领域的发展会产生重要影响，有广泛的应用前景。

（1）威胁预警

（2）结构健康监控

（3）结构振动控制

（4）智能表层

（5）智能机翼

（6）噪声控制

5.2智能结构在土木工程中的应用

因为土木工程几个体形大，结构材料粗糙及结构载荷巨大，因此智能结构在土木工程的应用方式有别于航空航天领域。

智能结构为保证结构安全开拓了一个新途径，对土木工程领域的发展产生重大影响，有广泛的应用前景。

（1）结构健康监测雨诊断系统

（2）结构灾害反应控制系统

（3）结构损伤智能修复系统

（4）智能混凝土结构

5.3智能结构在机器人中的应用

近年来，随着SMA逐步进入工业化生产应用阶段，SMA在机器人中的应用十分引人注目。

传统的机器人是机械、电子一体化的典型，使用的常规驱动方法结构复杂，体积庞大。

SMA开创了材料-电子一体化的机器人，使机器人结构大为简化。

80年代以来，欧美、日本等国以及中国在建筑物、铁路、桥梁、海洋平台、水坝和高速公路等结构的健康监测和安全评定的智能结构系统研究等方面形成了多学科交叉研究热点，并取得了一些实质性的进展。

美国80年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，用以验证设计假定、监视施工质量和服役安全状态。

例如，佛罗里州的SunshineSkywayBridge桥上安装了500多个传感器;英国80年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查和比较了多种长期监测系统的方案（张启伟，1999）：

我国香港的LnatauFixedCorSSing大桥、青马大桥以及内陆的虎门桥和江阴长江大桥也都在施工期间安装了传感装置，用于检测建成后的服役安全状态;渤海石油公司为了确保海洋采油平台的服役安全。

6智能结构的展望

智能材料结构技术是集材料、机械、电子、自动控制和计算机技术于一体的多学科综合的新技术，目前的研究尚处于起步阶段。

今后的主要研究方向：

（1）研制稳定性高、成本低、易于和基体材料结合的传感器和传感网络；

（2）研制所需能量小、变形量大、反应速度快的驱动元件；

（3）对各种传感器的信号处理方法、各种驱动器的控制方法及其集成的研究。

随着智能材料结构技术的不断发展和在飞行器上的更多应用，必将在未来飞行器中发挥更重要的作用。

7课堂问题

1,智能结构系统未来的发展趋势

1.智能材料、智能结构仿生学理论

2.耗散结构理论应用于智能材料

3.智能材料、智能结构新的本构关系

4.从广义本构关系出发研究新智能材料，开发高性能智能材料，开发大应变、高强度、高模量的压电材料

5.智能材料、智能结构的智商评估体系

6.智能结构集成的非线性理论

7.仿人智能控制理论

8.智能结构非线性分析的新理论及新算法

9.智能结构振动控制的新理论及新算法

10.智能结构不确定性理论及方法

2，智能结构与物联网之间的关系

智能材料：

物联网的特殊应用，与物联网各式各样的定义相类似的是，智能材料迄今也没有一个统一的定义。

按照互动百科“智能材料”词条给出的定义，智能材料是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定措施进行适度响应的、具有智能特征的材料。

这种刺激或者说激励所代表的物理量通常为声、光、电、磁、热、机械力（包括压力、张力等）、PH值、高能射线等。

但特定的智能材料并非能够感知所有这些物理量，而是根据特定用途，赋予智能材料特定的传感能力，去感知所需探测的物理量。

同样，并非每种智能材料都必须完全具备智能材料的七个特点：

感知、反馈、响应、识别、自诊断、自适应、自修复等功能或能力。

但感知和响应功能则是所有智能材料所必须的。

如果缺少了对作用其上的物理量的感知，那就谈不上智能了。

虽说智能材料离不开智能，但智能也是分层次的。

比如说，用于太阳镜的变色玻璃，在遇到日光光谱中的紫外线照射后颜色变深，再如记忆合金，是在特定的温度环境中恢复原有的形状，或者说记忆合金感知到温度的激励后，按照预设的方案进行响应。

因为缺少了计算，变色玻璃和记忆合金的“智商”显得比较低。

要实现智能材料更多的功能，计算是不可或缺的，而计算的前提就是借助于传感器将自然界中的非电量转化为电量，而其大前提就是要将传感器嵌入到材料中。

然而，将传感器嵌入到材料中谈何容易。

因为很难将电源嵌入到材料中，无源传感器因此在很大程度上成为不二选择；又因为受飞机蒙皮等紧凑型应用物理尺寸的局限，多功能传感器倍受青睐。

在上述一种或多种约束条件下，光纤、压电陶瓷、薄膜、半导体等传感器便成为为数不多的可供选择的传感器，而其中光纤传感器因其无源、多物理量测量等特点而成为应用的热门。

即便是光纤传感器，在嵌入到应力敏感材料时，依然会有很大的挑战，因为光纤的膨胀系数与多数金属的膨胀系数相差较大，为了避免因膨胀系数差异引入的应力，必须在光纤和金属之间增加膨胀系数介乎两者之间的过渡层。

总之，人们可以把嵌有传感器的智能材料视为物联网的特殊应用，只不过在很大程度上，这种应用需要独门绝技，并非一些自诩为物联网企业的企业敢应承下来。

3，概述SMA驱动器执行机构的偏置式和推挽式两种形式

这种驱动器由驱动元件和执行机构两个部分组成。

驱动元件即SMA材料，多为丝材、片材和管材，可以根据需要做成不同的形状，规格的驱动元件。

传统的SMA驱动器，执行机构比较简单，有偏置式和推挽式两种。

偏置式系统由SMA弹簧和偏动的普通拉伸弹簧组成，推挽式系统只是将偏置系统中的普通拉伸弹簧换为SMA弹簧。

该驱动器的运行原理：

对偏置式驱动器而言，加热SMA弹簧，相变发生，形状回复力克服弹簧拉力，产生动作。

冷却时，SMA发生逆相变，此时，SMA弹簧很软，在拉伸弹簧的作用下，驱动器恢复到原来的位置。

如此反复，可使得驱动器输出位移。

对推挽式驱动器而言，加热一侧SMA的同时，冷却另一侧的SMA，驱动器具有双向做功的能力，一般来说，推挽式驱动器比偏置式的输出功率大，能量转换效率高。

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