智能結(jié)構(gòu)與主動(dòng)控制概論教材課件

智能結(jié)構(gòu)與主動(dòng)控制趙壽根航空科學(xué)與工程學(xué)院固體力學(xué)研究所智能結(jié)構(gòu)與主動(dòng)控制趙壽根1引言材料技術(shù)是人類進(jìn)步的里程碑，是各個(gè)歷史時(shí)期技術(shù)革命的重要支柱，甚至成為時(shí)代的標(biāo)志。

歷史的發(fā)展表明每一種新材料的誕生往往會(huì)推動(dòng)社會(huì)的發(fā)生巨大的變革隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)材料應(yīng)用范圍、使用條件的復(fù)雜性和安全可靠性提出了越來越高要求。如航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展。

1引言材料技術(shù)是人類進(jìn)步的里程碑，是各個(gè)歷史時(shí)期技材料成為時(shí)代標(biāo)志的示意圖

材料成為時(shí)代標(biāo)志的示意圖智能結(jié)構(gòu)與主動(dòng)控制概論教材課件智能結(jié)構(gòu)與主動(dòng)控制概論教材課件2智能材料和智能結(jié)構(gòu)概論的提出20世紀(jì)50年代，人們提出了智能結(jié)構(gòu)的概論，當(dāng)時(shí)把它稱為自適應(yīng)系統(tǒng)(adaptivesystem)。在智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程中，人們越來越意識(shí)到智能結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)離不開智能材料的研究和發(fā)展。20世紀(jì)七十年代，美國弗吉尼亞理工學(xué)院及州立大學(xué)的Claus等人將光纖埋入炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，使材料具有感知應(yīng)力和斷裂損傷的能力。這是智能材料的首次實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)稱這種材料系統(tǒng)為自適應(yīng)材料。2智能材料和智能結(jié)構(gòu)概論的提出20世紀(jì)50年代，人們提出了智能結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)八十年代中期由美國軍方率先提出并進(jìn)行研究的，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家，尤其是軍方和航空界對(duì)此一直十分重視。一九八八年四月二十八日波音737客機(jī)在美國出現(xiàn)災(zāi)難性斷裂事故，使美國國會(huì)意識(shí)到，為避免服役中的飛機(jī)發(fā)生類似事故，飛機(jī)應(yīng)有自我診斷和及時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并通過議案，要求3年內(nèi)完成Smart飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)。智能結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)八十年代中期由美國軍方率先提出并進(jìn)行研究的1984年，美國陸軍科研局就旋翼飛行器技術(shù)的研究給予贊助，揭開了智能材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究的序幕；1985年起，美國政府提出了開展智能結(jié)構(gòu)的研究計(jì)劃，要求航天器具有自適應(yīng)性；1987年起，美國空軍將智能結(jié)構(gòu)的研究列如重點(diǎn)資助目錄；1988年后，美國各大學(xué)和航天航空機(jī)構(gòu)的公司、研究所均大量展開智能材料與結(jié)構(gòu)的研究工作。3國內(nèi)外研究的開展1984年，美國陸軍科研局就旋翼飛行器技術(shù)的研究給予贊助，揭繼美國之后，日本、英國、德國、澳大利亞和韓國等相繼投入人力、物力、財(cái)力開展智能材料結(jié)構(gòu)的研究工作，并創(chuàng)建了《智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)》、《機(jī)敏材料與結(jié)構(gòu)》等學(xué)術(shù)期刊；1991年，歐洲在英國成立了智能材料與結(jié)構(gòu)研究所我國于1991年起開展這方面的工作，1993年起，國家自然科學(xué)基金和航空基金等將其列入研究計(jì)劃。國內(nèi)外研究的開展(續(xù))繼美國之后，日本、英國、德國、澳大利亞和韓國等相繼投入人力、4智能材料及智能結(jié)構(gòu)概述智能材料(1)智能材料要求材料集感知、驅(qū)動(dòng)和信息處理于一體，從而形成類似生物材料那樣具有智能屬性的材料，因而人們習(xí)慣稱之為intelligentmaterial或smartmaterial。(2)主要特性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)外界的刺激強(qiáng)度具有感知的材料，稱為感知材料，用它可以做成各種傳感器；二是對(duì)外界環(huán)境條件(或內(nèi)部狀態(tài))作出響應(yīng)或驅(qū)動(dòng)的材料，用它可以做成驅(qū)動(dòng)器(或執(zhí)行器)。4智能材料及智能結(jié)構(gòu)概述智能材料表1典型智能材料及其功能材料名稱傳感器作動(dòng)器電感材料√電流變體√光導(dǎo)纖維√壓電材料√√X感光材料√聲發(fā)射材料√電致伸縮材料√磁致伸縮材料√√形狀記憶合金√√電阻應(yīng)變材料√表1典型智能材料及其功能材料名稱傳感器作動(dòng)器電感材料√電流環(huán)境溫度電場壓力磁場溫度聲位置光輻射速度化學(xué)輻射加速度生物環(huán)境反應(yīng)機(jī)械響應(yīng)流體運(yùn)動(dòng)電流流動(dòng)物理性能功率控制化學(xué)行為生理行為智能材料的感知和執(zhí)行功能環(huán)溫度電場反機(jī)械響應(yīng)智能材料的感知和執(zhí)行功能智能結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一種被動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種被動(dòng)結(jié)構(gòu)一經(jīng)設(shè)計(jì)、制造完成后，其性能不易改變，不能適應(yīng)不斷發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)的要求。主動(dòng)控制技術(shù)雖然可以在一定程度上改善結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力和工作性能，但需要在原結(jié)構(gòu)上附加一些傳感器和作動(dòng)器，增加了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重量，再加上主動(dòng)控制系統(tǒng)往往過于龐大和復(fù)雜，可靠性低，因此使得傳統(tǒng)主動(dòng)控制技術(shù)在空間結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。智能結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一種被動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種被動(dòng)結(jié)構(gòu)一經(jīng)設(shè)計(jì)、制造智能結(jié)構(gòu)要提高這種復(fù)雜的，非線性的系統(tǒng)性能，為此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須另謀出路。近十幾年來，隨著材料科學(xué)、控制、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是新型傳感器和作動(dòng)器的研究取得突破性進(jìn)展，在結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)中不斷采用新型傳感材料和作動(dòng)材料集成于結(jié)構(gòu)中，替代了傳統(tǒng)的傳感器和作動(dòng)器在結(jié)構(gòu)控制中所起的作用，逐步形成了傳感、作動(dòng)元件、控制器與主體結(jié)構(gòu)集成的一體化結(jié)構(gòu)形式，促進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中新技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了智能結(jié)構(gòu)的概念智能結(jié)構(gòu)要提高這種復(fù)雜的，非線性的系統(tǒng)性能，為此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須(1)智能結(jié)構(gòu)是以智能材料作為傳感元件和作動(dòng)元件，具有感識(shí)外界和內(nèi)部狀態(tài)與特性的變化，并能對(duì)這些變化的具體特征和原因進(jìn)行辯識(shí)，進(jìn)而采取相應(yīng)的控制律，做出合理響應(yīng)的一類結(jié)構(gòu)稱之為智能結(jié)構(gòu)。(2)還具備自診斷，自感識(shí)，自修復(fù)等額外的“智能”性能。智能結(jié)構(gòu)(1)智能結(jié)構(gòu)是以智能材料作為傳感元件和作動(dòng)元件，具有感識(shí)智能結(jié)構(gòu)的基本功能有：感識(shí)、自我調(diào)節(jié)、自我恢復(fù)和控制等，它包含的關(guān)鍵組成部分有：傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件、信息處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。典型的智能結(jié)構(gòu)的示意圖如下圖所示。智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)的基本功能有：感識(shí)、自我調(diào)節(jié)、自我恢復(fù)和控制等，它包美國麻省理工學(xué)院(MIT)的Crawley用四個(gè)層次來定義智能結(jié)構(gòu)。第一層次，兩類最基本的初型智能結(jié)構(gòu)是傳感結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。傳感結(jié)構(gòu)主要用于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)測和故障診斷方面，而自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可以通過預(yù)定的控制規(guī)律改變系統(tǒng)的形狀或特性。第二層次是傳感結(jié)構(gòu)類與自適應(yīng)結(jié)構(gòu)類的交接部分，也即受控結(jié)構(gòu)，是一種能夠主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)形態(tài)或特性的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)所組成。美國麻省理工學(xué)院(MIT)的Crawley用四個(gè)層次來定義智第三層次的主動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)際上也是一種受控結(jié)構(gòu)，它同第二層次的受控結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于它不僅具有傳感、控制功能，而且具有結(jié)構(gòu)承載功能，并且把作動(dòng)器與傳感器高度地綜合在結(jié)構(gòu)中。一目前，這個(gè)層次的智能結(jié)構(gòu)是研究的重點(diǎn)。第四層次的智能結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)的最高形式，它是將傳感、作動(dòng)、控制、信息處理和人工智能等環(huán)節(jié)與主體結(jié)構(gòu)融和在一起，具有感知、智能邏輯判斷與響應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自檢測、自診斷、自校正、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能。目前，真正意義上的智能結(jié)構(gòu)還沒有實(shí)現(xiàn)，但是，隨著科技的發(fā)展，相信在不久的將來，將會(huì)研制出實(shí)際可用的智能結(jié)構(gòu)。第三層次的主動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)際上也是一種受控結(jié)構(gòu)，它同第二層次的受控

智能材料和結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到了其它學(xué)科強(qiáng)大的支持和幫助，受到了以下學(xué)科領(lǐng)域的的推動(dòng)：(1)

材料耦合特性分析的研究；(2)復(fù)合(疊層)材料的研究、設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展；(3)自適應(yīng)控制、魯棒控制、容錯(cuò)技術(shù)與智能控制技術(shù)的研究和發(fā)展；(4)計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的研究和發(fā)展。5學(xué)科的發(fā)展和融合提供強(qiáng)大的技術(shù)支持智能材料和結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到了其它學(xué)科強(qiáng)大的支持和幫助，受6.1傳感器傳感器的定義：能感受規(guī)定的備測物理量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成為可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。能感知結(jié)構(gòu)狀態(tài)和環(huán)境改變，并且易于集成和分布。6智能材料與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)6.1傳感器6智能材料與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)表2常用傳感器的性能比較表2常用傳感器的性能比較6.2作動(dòng)器作動(dòng)器是實(shí)施振動(dòng)主動(dòng)控制的關(guān)鍵部件，是主動(dòng)控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。作動(dòng)器的作用是按照確定的控制律對(duì)控制對(duì)象施加控制力。隨著振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,對(duì)作動(dòng)器的要求愈來愈高。近年來,在傳統(tǒng)的流體作動(dòng)、氣體作動(dòng)器和電器作動(dòng)器的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)出了多種智能型作動(dòng)器，如壓電陶瓷作動(dòng)器、壓電薄膜作動(dòng)器、電致伸縮作動(dòng)器、磁致伸縮作動(dòng)器、形狀記憶合金作動(dòng)器和電流變流體作動(dòng)器等。這些作動(dòng)器的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)高精度的振動(dòng)主動(dòng)控制提供了必要條件。6.2作動(dòng)器表3常用作感器的性能比較

作動(dòng)器要求易于集成，并具有對(duì)機(jī)構(gòu)狀態(tài)施加足夠影響力的能力；表3常用作感器的性能比較作動(dòng)器要求易于集成，并具有對(duì)機(jī)構(gòu)(1)兼容性要求。傳感器和作動(dòng)器與材料本體結(jié)構(gòu)的兼容性要好；(2)穩(wěn)定性要求。傳感器和作動(dòng)器工作時(shí)性能要穩(wěn)定可靠，同時(shí)抗干擾能力相對(duì)要好；(3)響應(yīng)頻帶要求。傳感器和作動(dòng)器應(yīng)具有較快的響應(yīng)速度和較寬的響應(yīng)頻帶；(4)精度要求。傳感器工作時(shí)應(yīng)具有較高的測量精度和靈敏度；(5)驅(qū)動(dòng)力要求。作動(dòng)器工作時(shí)應(yīng)能產(chǎn)生足夠大的變形和驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)具有較小的能量耗損。6.3對(duì)傳感器和作動(dòng)器性能的基本要求(1)兼容性要求。傳感器和作動(dòng)器與材料本體結(jié)構(gòu)的兼容性要6.4控制器智能結(jié)構(gòu)的控制器是智能結(jié)構(gòu)的神經(jīng)中樞；控制系統(tǒng)應(yīng)具有控制速度快、魯棒性和實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。6.5控制算法其控制分3個(gè)層次：局部控制、全局控制和智能控制。局部控制目標(biāo)通常為增大阻尼、吸收能量、減小局部應(yīng)力和應(yīng)變等，全局控制目標(biāo)通常為控制結(jié)構(gòu)形狀、抑制擾動(dòng)和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等，智能控制目標(biāo)通常為系統(tǒng)辨識(shí)、故障診斷和修復(fù)、結(jié)構(gòu)功能重構(gòu)等。6.4控制器6.6結(jié)構(gòu)集成技術(shù)智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和集成技術(shù)是影響智能結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)之一。圖3智能材料與結(jié)構(gòu)的集成技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

宏觀復(fù)合細(xì)觀復(fù)合細(xì)或納觀復(fù)合6.6結(jié)構(gòu)集成技術(shù)圖3智能材料與結(jié)構(gòu)的集成技術(shù)的現(xiàn)狀和7幾種常用的智能材料

7.1形狀記憶材料形狀記憶材料(SMA)是一種特殊的力—熱耦合材料，具有單程、雙程和全程記憶功能。它最顯著的特性是材料具有形狀記憶效應(yīng)(SME)和超彈性(PE)。形狀記憶效應(yīng)(SME)是指變形后馬氏體(SMA)在環(huán)境溫度上升到母相轉(zhuǎn)變開始溫度后，如果不受外力的約束將發(fā)生形狀恢復(fù)；當(dāng)受外力約束而不能恢復(fù)時(shí)將輸出應(yīng)力。

超彈性(PE)是指處于母相狀態(tài)的形狀記憶合金因應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的發(fā)生，其宏觀可恢復(fù)拉伸應(yīng)變遠(yuǎn)大于一般金屬材料的彈性變形極限，又稱偽彈性。

7幾種常用的智能材料7.1形狀記憶材料形狀記憶材料的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：本體材料相容性好；變形量大；加熱后驅(qū)動(dòng)力大；可實(shí)現(xiàn)多種變形等優(yōu)點(diǎn)。SMA驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作除溫度外幾乎不受其它環(huán)境條件的影響，具有較好地抗外界干擾特性，相對(duì)其他智能復(fù)合材料在價(jià)格、技術(shù)成熟性和可植入性等方面也有明顯的優(yōu)勢。缺點(diǎn)為：響應(yīng)速度慢，只能適合于結(jié)構(gòu)的低頻控制；使用時(shí)需要較大電流。7.1形狀記憶材料形狀記憶材料的優(yōu)缺點(diǎn)7.1形狀記憶材料電流變體，簡稱ER流體，是一種比較特殊的流體，在外電場的作用下，電流體中的膠質(zhì)懸浮液迅速地排列成有規(guī)律的鏈條狀結(jié)構(gòu)，并平行于電場，從而呈現(xiàn)固體特性，并具有可測量的剛度，同時(shí)其屈服剪切應(yīng)力隨電場強(qiáng)度和剪切應(yīng)變速度的增大而增大，而在撤去外電場后，它又可以在瞬間內(nèi)恢復(fù)到液體狀態(tài)。其缺點(diǎn)：在于轉(zhuǎn)換電壓太高

,附加設(shè)備多.電流變體作動(dòng)原理示意圖

7.2電(磁)流變體電流變體，電流變體作動(dòng)原理示意圖7.2電(磁)流變體從物理組成上看，電流變體是高介電常數(shù)的固體微粒分散在低介電常數(shù)的絕緣油液中的懸浮體。當(dāng)無電場作用時(shí)，ERF是一種牛頓流體，在電場的作用下，ERF中的懸浮顆粒產(chǎn)生電極化，增大了對(duì)流體的抵抗，使液體具有一定曲服應(yīng)力類似于固體性質(zhì)。從物理組成上看，電流變體是高介電常數(shù)的固體微粒分散在低介電常

磁致伸縮材料在磁場作用下會(huì)產(chǎn)生磁疇旋轉(zhuǎn)，從而引起材料變形和產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，將磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。目前磁致伸縮材料已用于低頻高功率聲納傳感器、強(qiáng)力直線型電機(jī)、大轉(zhuǎn)矩低速旋轉(zhuǎn)電機(jī)和液壓機(jī)執(zhí)行器。優(yōu)點(diǎn)有：具有位移控制量大；響應(yīng)速度較快；不存在時(shí)間老化問題。缺點(diǎn)在于：需要較多的附加線圈、電機(jī)和封裝等附加設(shè)備，易于發(fā)生擊穿現(xiàn)象。7.3磁致伸縮材料磁致伸縮材料在磁場作用下會(huì)產(chǎn)生磁疇旋轉(zhuǎn)，從而引起

光導(dǎo)纖維是利用兩種介質(zhì)面上光的全反射原理制成的光導(dǎo)元件。通過分析光的傳播特性(光強(qiáng)、相位等)獲得光纖周圍的力、溫度、位移、壓強(qiáng)、密度、磁場、成分和X射線等參數(shù)的變化。光導(dǎo)纖維是最先應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)的傳感元件。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)電磁干擾不敏感；光纖很細(xì)，對(duì)本體機(jī)構(gòu)強(qiáng)度影響較??；頻率響應(yīng)高；具有不腐蝕特性，可在高低溫和有害環(huán)境下安全工作。缺點(diǎn)為：有非線性效應(yīng)、輔助設(shè)備多且復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。7.4光纖傳感系統(tǒng)光導(dǎo)纖維是利用兩種介質(zhì)面上光的全反射原理制成的光利用壓電材料的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可將其用為傳感器和作動(dòng)器。優(yōu)點(diǎn)：重量輕、體積小、能耗低，響應(yīng)快、剛度大。其缺點(diǎn)：與本體材料相容性差，易于在分界面處造成損傷和斷裂；易脆易裂，不適于大面積使用和布置。7.5壓電及壓電復(fù)合材料利用壓電材料的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可將7.5壓電及壓電復(fù)

鑒于純壓電材料的不足，人們采用基體材料和壓電材料復(fù)合的方法得到了壓電復(fù)合材料，它出現(xiàn)克服了純壓電陶瓷在脆性、相容性、可靠性方面的缺陷，從而使得壓電復(fù)合材料可以大面積使用和布置。圖5壓電復(fù)合材料的兩種典型方式鑒于純壓電材料的不足，人們采用基體材料和壓電材料復(fù)合圖6壓電纖維復(fù)合材料模型示意圖圖6壓電纖維復(fù)合材料模型示意圖8智能材料和智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用1997年1月6日華盛頓郵報(bào)以“智能材料可以產(chǎn)生奇跡”的標(biāo)題描述了智能材料與結(jié)構(gòu)的未來。文章說：過不了多久，智能飛機(jī)的機(jī)翼可以像鳥的翅膀一樣彎曲，自動(dòng)改變形狀，從而提高升力和減小阻力；橋梁和電線桿快要斷裂時(shí)可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)，然后自動(dòng)加固自身的結(jié)構(gòu)；空調(diào)可以抑制振動(dòng)而安靜地工作；手槍只有在主任使用時(shí)才能開槍；輪胎需要充氣時(shí)會(huì)禮貌地通知主人；反應(yīng)靈敏的人工肌肉可以使機(jī)器人以假充真。智能飛機(jī)8智能材料和智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用1997年1月6日華盛頓郵報(bào)以“8.1智能材料和結(jié)構(gòu)在航空航天中的應(yīng)用

智能飛機(jī)的概念示意圖

8.1智能材料和結(jié)構(gòu)在航空航天中的應(yīng)用智能飛機(jī)的概念示意(1)智能表層使飛機(jī)表皮具有通信、隱身、敵我識(shí)別、電子對(duì)抗、火控飛控等多種功能。是衡量未來飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。(2)自適應(yīng)機(jī)翼可根據(jù)飛行條件及要求自動(dòng)改變形狀，從而提高升力及減小阻力。(3)飛行器的健康監(jiān)測具有自診斷及自適應(yīng)等健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和裂紋，能自動(dòng)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康評(píng)估及壽命預(yù)測。(4)飛行器的減振和降噪隨著飛行器性能的不斷提高，振動(dòng)及顫振問題越來越突出。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的事故中，振動(dòng)引起的占27%，發(fā)動(dòng)機(jī)事故中，振動(dòng)引起的占40%。8.2航空航天工業(yè)領(lǐng)域幾個(gè)重點(diǎn)研究方向(1)智能表層8.2航空航天工業(yè)領(lǐng)域幾個(gè)重點(diǎn)研究方向特別是在一些對(duì)國民經(jīng)濟(jì)影響重大的大型工程中，如三峽工程、核電站、大型建筑和橋梁等。這些工程要求能適應(yīng)復(fù)雜和突變的環(huán)境，因而這些工程的結(jié)構(gòu)具有自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)功能非常重要。下面幾種為目前在土木工程中應(yīng)用的智能結(jié)構(gòu)：(1)自診斷光纖混凝土結(jié)構(gòu)；(2)纖維智能減振結(jié)構(gòu)；(3)裂縫自愈合混凝土機(jī)構(gòu)等。8.3智能材料和結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用

特別是在一些對(duì)國民經(jīng)濟(jì)影響重大的大型工程中，如三峽工程、核電裂縫自愈合混凝土材料模型裂縫自愈合混凝土材料模型

智能材料和結(jié)構(gòu)還可用于醫(yī)學(xué)生物工程、交通工具、信息系統(tǒng)等民用領(lǐng)域。

如：利用智能材料結(jié)構(gòu)可以制造出許多別具一格的體育用具?？梢岳弥悄懿牧辖Y(jié)構(gòu)制出人工神經(jīng)的假肢、先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)性骨折手術(shù)、殘疾人用智能輪椅等。醫(yī)學(xué)上還可以利用智能材料結(jié)構(gòu)制造出人工胰臟、肝、胃等器官，為患有此類器官病癥的患者帶來福音。8.4其它用途

智能材料和結(jié)構(gòu)還可用于醫(yī)學(xué)生物工程、交通8.4其它用9智能材料與結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展目前，智能材料的研究經(jīng)過基礎(chǔ)性研究與探索，己在基本原理、傳感器研制、作動(dòng)器研制、功能器件與復(fù)合材料之間匹配技術(shù)、智能材料成型工藝技術(shù)、智能材料在特殊環(huán)境下的性能評(píng)價(jià)、主動(dòng)控制智能器件等方面開展了許多工作，取得了較大突破。并且，已經(jīng)從基礎(chǔ)性研究進(jìn)入到預(yù)研和應(yīng)用性研究階段。預(yù)計(jì)在2020年后，智能材料的研究將全面實(shí)用化，從實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)入實(shí)際結(jié)構(gòu)全面實(shí)用階段。9智能材料與結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展目前，智能材料的研究經(jīng)過基礎(chǔ)性研智能材料與結(jié)構(gòu)的研究目前主要有兩條技術(shù)線路:一條是美國提出的將傳感器、處理器和制動(dòng)器埋入結(jié)構(gòu)中，通過高度集成制造智能結(jié)構(gòu)，即所謂智能結(jié)構(gòu)。另一條是日本提出的將上述智能結(jié)構(gòu)中的傳感器、處理器和制動(dòng)器與結(jié)構(gòu)的宏觀結(jié)合變?yōu)樵谠印⒎肿訉哟紊系奈⒂^“組裝”，從而得到更為均勻的物質(zhì)材料，目前該方面的研究處于基礎(chǔ)理論研究階段。相反，宏觀智能材料即智能結(jié)構(gòu)的研究卻開展得更為廣泛，主要側(cè)重于通過形成的智能結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測、形狀控制和改變、振動(dòng)控制、損傷抑制和修復(fù)、工藝過程監(jiān)控、精確定位等，而用于振動(dòng)工程中的智能結(jié)構(gòu)所研究的基本問題主要集中在：傳感器、作動(dòng)器、智能結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模及其振動(dòng)控制，傳感/作動(dòng)器在智能結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化配置等方面智能材料與結(jié)構(gòu)的研究目前主要有兩條技術(shù)線路:一條是美國提出的目前，智能結(jié)構(gòu)的研究形式概括為兩大類，以板、殼、梁為代表的分布式結(jié)構(gòu)和以析架為代表的離散式結(jié)構(gòu)。在分布式結(jié)構(gòu)中，傳感器和作動(dòng)器通常分別由兩組功能元件(如壓電片)組成，它們可分布粘貼于主體結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從硬件角度有機(jī)地與主體結(jié)構(gòu)集成在一體，這兩組元件分別在結(jié)構(gòu)中起作動(dòng)和傳感作用，一般各自配置不同信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路。(例如在實(shí)現(xiàn)梁的壓電振動(dòng)控制時(shí)，可在梁結(jié)構(gòu)的上下表面粘貼多組壓電片作為作動(dòng)器，配以適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路，提供作動(dòng)控制力。用于傳感器的壓電片也可以同樣的方式粘貼，連接信號(hào)放大電路。粘貼式簡便易行，但由于存在必要的膠接層，使得結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)發(fā)脆的成分。嵌入式是將功能材料直接埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可增加功能元件與結(jié)構(gòu)層之間的荷載傳遞能力和可靠性，克服前一種結(jié)合方式存在的問題，然而嵌入式結(jié)合增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的復(fù)雜程度。)目前，智能結(jié)構(gòu)的研究形式概括為兩大類，以板、殼、梁為代表的分對(duì)于離散式智能桁架結(jié)構(gòu)，傳感和作動(dòng)元件是以集成的方式存在于主動(dòng)構(gòu)件中，主動(dòng)構(gòu)件同時(shí)具有作動(dòng)和傳感功能，然后再將主動(dòng)構(gòu)件配置在智能桁架結(jié)構(gòu)的若干個(gè)關(guān)鍵部位，或直接取代原結(jié)構(gòu)的某些被動(dòng)構(gòu)件而形成。對(duì)于離散式智能桁架結(jié)構(gòu)，傳感和作動(dòng)元件是以集成的方式存在于主ENDTHANKYOU!ENDTHANKYOU!智能結(jié)構(gòu)與主動(dòng)控制趙壽根航空科學(xué)與工程學(xué)院固體力學(xué)研究所智能結(jié)構(gòu)與主動(dòng)控制趙壽根1引言材料技術(shù)是人類進(jìn)步的里程碑，是各個(gè)歷史時(shí)期技術(shù)革命的重要支柱，甚至成為時(shí)代的標(biāo)志。

歷史的發(fā)展表明每一種新材料的誕生往往會(huì)推動(dòng)社會(huì)的發(fā)生巨大的變革隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)材料應(yīng)用范圍、使用條件的復(fù)雜性和安全可靠性提出了越來越高要求。如航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展。

1引言材料技術(shù)是人類進(jìn)步的里程碑，是各個(gè)歷史時(shí)期技材料成為時(shí)代標(biāo)志的示意圖

材料成為時(shí)代標(biāo)志的示意圖智能結(jié)構(gòu)與主動(dòng)控制概論教材課件智能結(jié)構(gòu)與主動(dòng)控制概論教材課件2智能材料和智能結(jié)構(gòu)概論的提出20世紀(jì)50年代，人們提出了智能結(jié)構(gòu)的概論，當(dāng)時(shí)把它稱為自適應(yīng)系統(tǒng)(adaptivesystem)。在智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程中，人們越來越意識(shí)到智能結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)離不開智能材料的研究和發(fā)展。20世紀(jì)七十年代，美國弗吉尼亞理工學(xué)院及州立大學(xué)的Claus等人將光纖埋入炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，使材料具有感知應(yīng)力和斷裂損傷的能力。這是智能材料的首次實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)稱這種材料系統(tǒng)為自適應(yīng)材料。2智能材料和智能結(jié)構(gòu)概論的提出20世紀(jì)50年代，人們提出了智能結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)八十年代中期由美國軍方率先提出并進(jìn)行研究的，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家，尤其是軍方和航空界對(duì)此一直十分重視。一九八八年四月二十八日波音737客機(jī)在美國出現(xiàn)災(zāi)難性斷裂事故，使美國國會(huì)意識(shí)到，為避免服役中的飛機(jī)發(fā)生類似事故，飛機(jī)應(yīng)有自我診斷和及時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并通過議案，要求3年內(nèi)完成Smart飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)。智能結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)八十年代中期由美國軍方率先提出并進(jìn)行研究的1984年，美國陸軍科研局就旋翼飛行器技術(shù)的研究給予贊助，揭開了智能材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究的序幕；1985年起，美國政府提出了開展智能結(jié)構(gòu)的研究計(jì)劃，要求航天器具有自適應(yīng)性；1987年起，美國空軍將智能結(jié)構(gòu)的研究列如重點(diǎn)資助目錄；1988年后，美國各大學(xué)和航天航空機(jī)構(gòu)的公司、研究所均大量展開智能材料與結(jié)構(gòu)的研究工作。3國內(nèi)外研究的開展1984年，美國陸軍科研局就旋翼飛行器技術(shù)的研究給予贊助，揭繼美國之后，日本、英國、德國、澳大利亞和韓國等相繼投入人力、物力、財(cái)力開展智能材料結(jié)構(gòu)的研究工作，并創(chuàng)建了《智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)》、《機(jī)敏材料與結(jié)構(gòu)》等學(xué)術(shù)期刊；1991年，歐洲在英國成立了智能材料與結(jié)構(gòu)研究所我國于1991年起開展這方面的工作，1993年起，國家自然科學(xué)基金和航空基金等將其列入研究計(jì)劃。國內(nèi)外研究的開展(續(xù))繼美國之后，日本、英國、德國、澳大利亞和韓國等相繼投入人力、4智能材料及智能結(jié)構(gòu)概述智能材料(1)智能材料要求材料集感知、驅(qū)動(dòng)和信息處理于一體，從而形成類似生物材料那樣具有智能屬性的材料，因而人們習(xí)慣稱之為intelligentmaterial或smartmaterial。(2)主要特性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)外界的刺激強(qiáng)度具有感知的材料，稱為感知材料，用它可以做成各種傳感器；二是對(duì)外界環(huán)境條件(或內(nèi)部狀態(tài))作出響應(yīng)或驅(qū)動(dòng)的材料，用它可以做成驅(qū)動(dòng)器(或執(zhí)行器)。4智能材料及智能結(jié)構(gòu)概述智能材料表1典型智能材料及其功能材料名稱傳感器作動(dòng)器電感材料√電流變體√光導(dǎo)纖維√壓電材料√√X感光材料√聲發(fā)射材料√電致伸縮材料√磁致伸縮材料√√形狀記憶合金√√電阻應(yīng)變材料√表1典型智能材料及其功能材料名稱傳感器作動(dòng)器電感材料√電流環(huán)境溫度電場壓力磁場溫度聲位置光輻射速度化學(xué)輻射加速度生物環(huán)境反應(yīng)機(jī)械響應(yīng)流體運(yùn)動(dòng)電流流動(dòng)物理性能功率控制化學(xué)行為生理行為智能材料的感知和執(zhí)行功能環(huán)溫度電場反機(jī)械響應(yīng)智能材料的感知和執(zhí)行功能智能結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一種被動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種被動(dòng)結(jié)構(gòu)一經(jīng)設(shè)計(jì)、制造完成后，其性能不易改變，不能適應(yīng)不斷發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)的要求。主動(dòng)控制技術(shù)雖然可以在一定程度上改善結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力和工作性能，但需要在原結(jié)構(gòu)上附加一些傳感器和作動(dòng)器，增加了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重量，再加上主動(dòng)控制系統(tǒng)往往過于龐大和復(fù)雜，可靠性低，因此使得傳統(tǒng)主動(dòng)控制技術(shù)在空間結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。智能結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一種被動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種被動(dòng)結(jié)構(gòu)一經(jīng)設(shè)計(jì)、制造智能結(jié)構(gòu)要提高這種復(fù)雜的，非線性的系統(tǒng)性能，為此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須另謀出路。近十幾年來，隨著材料科學(xué)、控制、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是新型傳感器和作動(dòng)器的研究取得突破性進(jìn)展，在結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)中不斷采用新型傳感材料和作動(dòng)材料集成于結(jié)構(gòu)中，替代了傳統(tǒng)的傳感器和作動(dòng)器在結(jié)構(gòu)控制中所起的作用，逐步形成了傳感、作動(dòng)元件、控制器與主體結(jié)構(gòu)集成的一體化結(jié)構(gòu)形式，促進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中新技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了智能結(jié)構(gòu)的概念智能結(jié)構(gòu)要提高這種復(fù)雜的，非線性的系統(tǒng)性能，為此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須(1)智能結(jié)構(gòu)是以智能材料作為傳感元件和作動(dòng)元件，具有感識(shí)外界和內(nèi)部狀態(tài)與特性的變化，并能對(duì)這些變化的具體特征和原因進(jìn)行辯識(shí)，進(jìn)而采取相應(yīng)的控制律，做出合理響應(yīng)的一類結(jié)構(gòu)稱之為智能結(jié)構(gòu)。(2)還具備自診斷，自感識(shí)，自修復(fù)等額外的“智能”性能。智能結(jié)構(gòu)(1)智能結(jié)構(gòu)是以智能材料作為傳感元件和作動(dòng)元件，具有感識(shí)智能結(jié)構(gòu)的基本功能有：感識(shí)、自我調(diào)節(jié)、自我恢復(fù)和控制等，它包含的關(guān)鍵組成部分有：傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件、信息處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。典型的智能結(jié)構(gòu)的示意圖如下圖所示。智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)的基本功能有：感識(shí)、自我調(diào)節(jié)、自我恢復(fù)和控制等，它包美國麻省理工學(xué)院(MIT)的Crawley用四個(gè)層次來定義智能結(jié)構(gòu)。第一層次，兩類最基本的初型智能結(jié)構(gòu)是傳感結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。傳感結(jié)構(gòu)主要用于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)測和故障診斷方面，而自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可以通過預(yù)定的控制規(guī)律改變系統(tǒng)的形狀或特性。第二層次是傳感結(jié)構(gòu)類與自適應(yīng)結(jié)構(gòu)類的交接部分，也即受控結(jié)構(gòu)，是一種能夠主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)形態(tài)或特性的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)所組成。美國麻省理工學(xué)院(MIT)的Crawley用四個(gè)層次來定義智第三層次的主動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)際上也是一種受控結(jié)構(gòu)，它同第二層次的受控結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于它不僅具有傳感、控制功能，而且具有結(jié)構(gòu)承載功能，并且把作動(dòng)器與傳感器高度地綜合在結(jié)構(gòu)中。一目前，這個(gè)層次的智能結(jié)構(gòu)是研究的重點(diǎn)。第四層次的智能結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)的最高形式，它是將傳感、作動(dòng)、控制、信息處理和人工智能等環(huán)節(jié)與主體結(jié)構(gòu)融和在一起，具有感知、智能邏輯判斷與響應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自檢測、自診斷、自校正、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能。目前，真正意義上的智能結(jié)構(gòu)還沒有實(shí)現(xiàn)，但是，隨著科技的發(fā)展，相信在不久的將來，將會(huì)研制出實(shí)際可用的智能結(jié)構(gòu)。第三層次的主動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)際上也是一種受控結(jié)構(gòu)，它同第二層次的受控

智能材料和結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到了其它學(xué)科強(qiáng)大的支持和幫助，受到了以下學(xué)科領(lǐng)域的的推動(dòng)：(1)

材料耦合特性分析的研究；(2)復(fù)合(疊層)材料的研究、設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展；(3)自適應(yīng)控制、魯棒控制、容錯(cuò)技術(shù)與智能控制技術(shù)的研究和發(fā)展；(4)計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的研究和發(fā)展。5學(xué)科的發(fā)展和融合提供強(qiáng)大的技術(shù)支持智能材料和結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到了其它學(xué)科強(qiáng)大的支持和幫助，受6.1傳感器傳感器的定義：能感受規(guī)定的備測物理量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成為可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。能感知結(jié)構(gòu)狀態(tài)和環(huán)境改變，并且易于集成和分布。6智能材料與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)6.1傳感器6智能材料與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)表2常用傳感器的性能比較表2常用傳感器的性能比較6.2作動(dòng)器作動(dòng)器是實(shí)施振動(dòng)主動(dòng)控制的關(guān)鍵部件，是主動(dòng)控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。作動(dòng)器的作用是按照確定的控制律對(duì)控制對(duì)象施加控制力。隨著振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,對(duì)作動(dòng)器的要求愈來愈高。近年來,在傳統(tǒng)的流體作動(dòng)、氣體作動(dòng)器和電器作動(dòng)器的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)出了多種智能型作動(dòng)器，如壓電陶瓷作動(dòng)器、壓電薄膜作動(dòng)器、電致伸縮作動(dòng)器、磁致伸縮作動(dòng)器、形狀記憶合金作動(dòng)器和電流變流體作動(dòng)器等。這些作動(dòng)器的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)高精度的振動(dòng)主動(dòng)控制提供了必要條件。6.2作動(dòng)器表3常用作感器的性能比較

作動(dòng)器要求易于集成，并具有對(duì)機(jī)構(gòu)狀態(tài)施加足夠影響力的能力；表3常用作感器的性能比較作動(dòng)器要求易于集成，并具有對(duì)機(jī)構(gòu)(1)兼容性要求。傳感器和作動(dòng)器與材料本體結(jié)構(gòu)的兼容性要好；(2)穩(wěn)定性要求。傳感器和作動(dòng)器工作時(shí)性能要穩(wěn)定可靠，同時(shí)抗干擾能力相對(duì)要好；(3)響應(yīng)頻帶要求。傳感器和作動(dòng)器應(yīng)具有較快的響應(yīng)速度和較寬的響應(yīng)頻帶；(4)精度要求。傳感器工作時(shí)應(yīng)具有較高的測量精度和靈敏度；(5)驅(qū)動(dòng)力要求。作動(dòng)器工作時(shí)應(yīng)能產(chǎn)生足夠大的變形和驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)具有較小的能量耗損。6.3對(duì)傳感器和作動(dòng)器性能的基本要求(1)兼容性要求。傳感器和作動(dòng)器與材料本體結(jié)構(gòu)的兼容性要6.4控制器智能結(jié)構(gòu)的控制器是智能結(jié)構(gòu)的神經(jīng)中樞；控制系統(tǒng)應(yīng)具有控制速度快、魯棒性和實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。6.5控制算法其控制分3個(gè)層次：局部控制、全局控制和智能控制。局部控制目標(biāo)通常為增大阻尼、吸收能量、減小局部應(yīng)力和應(yīng)變等，全局控制目標(biāo)通常為控制結(jié)構(gòu)形狀、抑制擾動(dòng)和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等，智能控制目標(biāo)通常為系統(tǒng)辨識(shí)、故障診斷和修復(fù)、結(jié)構(gòu)功能重構(gòu)等。6.4控制器6.6結(jié)構(gòu)集成技術(shù)智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和集成技術(shù)是影響智能結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)之一。圖3智能材料與結(jié)構(gòu)的集成技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

宏觀復(fù)合細(xì)觀復(fù)合細(xì)或納觀復(fù)合6.6結(jié)構(gòu)集成技術(shù)圖3智能材料與結(jié)構(gòu)的集成技術(shù)的現(xiàn)狀和7幾種常用的智能材料

7.1形狀記憶材料形狀記憶材料(SMA)是一種特殊的力—熱耦合材料，具有單程、雙程和全程記憶功能。它最顯著的特性是材料具有形狀記憶效應(yīng)(SME)和超彈性(PE)。形狀記憶效應(yīng)(SME)是指變形后馬氏體(SMA)在環(huán)境溫度上升到母相轉(zhuǎn)變開始溫度后，如果不受外力的約束將發(fā)生形狀恢復(fù)；當(dāng)受外力約束而不能恢復(fù)時(shí)將輸出應(yīng)力。

超彈性(PE)是指處于母相狀態(tài)的形狀記憶合金因應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的發(fā)生，其宏觀可恢復(fù)拉伸應(yīng)變遠(yuǎn)大于一般金屬材料的彈性變形極限，又稱偽彈性。

7幾種常用的智能材料7.1形狀記憶材料形狀記憶材料的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：本體材料相容性好；變形量大；加熱后驅(qū)動(dòng)力大；可實(shí)現(xiàn)多種變形等優(yōu)點(diǎn)。SMA驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作除溫度外幾乎不受其它環(huán)境條件的影響，具有較好地抗外界干擾特性，相對(duì)其他智能復(fù)合材料在價(jià)格、技術(shù)成熟性和可植入性等方面也有明顯的優(yōu)勢。缺點(diǎn)為：響應(yīng)速度慢，只能適合于結(jié)構(gòu)的低頻控制；使用時(shí)需要較大電流。7.1形狀記憶材料形狀記憶材料的優(yōu)缺點(diǎn)7.1形狀記憶材料電流變體，簡稱ER流體，是一種比較特殊的流體，在外電場的作用下，電流體中的膠質(zhì)懸浮液迅速地排列成有規(guī)律的鏈條狀結(jié)構(gòu)，并平行于電場，從而呈現(xiàn)固體特性，并具有可測量的剛度，同時(shí)其屈服剪切應(yīng)力隨電場強(qiáng)度和剪切應(yīng)變速度的增大而增大，而在撤去外電場后，它又可以在瞬間內(nèi)恢復(fù)到液體狀態(tài)。其缺點(diǎn)：在于轉(zhuǎn)換電壓太高

,附加設(shè)備多.電流變體作動(dòng)原理示意圖

7.2電(磁)流變體電流變體，電流變體作動(dòng)原理示意圖7.2電(磁)流變體從物理組成上看，電流變體是高介電常數(shù)的固體微粒分散在低介電常數(shù)的絕緣油液中的懸浮體。當(dāng)無電場作用時(shí)，ERF是一種牛頓流體，在電場的作用下，ERF中的懸浮顆粒產(chǎn)生電極化，增大了對(duì)流體的抵抗，使液體具有一定曲服應(yīng)力類似于固體性質(zhì)。從物理組成上看，電流變體是高介電常數(shù)的固體微粒分散在低介電常

磁致伸縮材料在磁場作用下會(huì)產(chǎn)生磁疇旋轉(zhuǎn)，從而引起材料變形和產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，將磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。目前磁致伸縮材料已用于低頻高功率聲納傳感器、強(qiáng)力直線型電機(jī)、大轉(zhuǎn)矩低速旋轉(zhuǎn)電機(jī)和液壓機(jī)執(zhí)行器。優(yōu)點(diǎn)有：具有位移控制量大；響應(yīng)速度較快；不存在時(shí)間老化問題。缺點(diǎn)在于：需要較多的附加線圈、電機(jī)和封裝等附加設(shè)備，易于發(fā)生擊穿現(xiàn)象。7.3磁致伸縮材料磁致伸縮材料在磁場作用下會(huì)產(chǎn)生磁疇旋轉(zhuǎn)，從而引起

光導(dǎo)纖維是利用兩種介質(zhì)面上光的全反射原理制成的光導(dǎo)元件。通過分析光的傳播特性(光強(qiáng)、相位等)獲得光纖周圍的力、溫度、位移、壓強(qiáng)、密度、磁場、成分和X射線等參數(shù)的變化。光導(dǎo)纖維是最先應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)的傳感元件。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)電磁干擾不敏感；光纖很細(xì)，對(duì)本體機(jī)構(gòu)強(qiáng)度影響較??；頻率響應(yīng)高；具有不腐蝕特性，可在高低溫和有害環(huán)境下安全工作。缺點(diǎn)為：有非線性效應(yīng)、輔助設(shè)備多且復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。7.4光纖傳感系統(tǒng)光導(dǎo)纖維是利用兩種介質(zhì)面上光的全反射原理制成的光利用壓電材料的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可將其用為傳感器和作動(dòng)器。優(yōu)點(diǎn)：重量輕、體積小、能耗低，響應(yīng)快、剛度大。其缺點(diǎn)：與本體材料相容性差，易于在分界面處造成損傷和斷裂；易脆易裂，不適于大面積使用和布置。7.5壓電及壓電復(fù)合材料利用壓電材料的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可將7.5壓電及壓電復(fù)

鑒于純壓電材料的不足，人們采用基體材料和壓電材料復(fù)合的方法得到了壓電復(fù)合材料，它出現(xiàn)克服了純壓電陶瓷在脆性、相容性、可靠性方面的缺陷，從而使得壓電復(fù)合材料可以大面積使用和布置。圖5壓電復(fù)合材料的兩種典型方式鑒于純壓電材料的不足，人們采用基體材料和壓電材料復(fù)合圖6壓電纖維復(fù)合材料模型示意圖圖6壓電纖維復(fù)合材料模型示意圖8智能材料和智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用1997年1月6日華盛頓郵報(bào)以“智能材料可以產(chǎn)生奇跡”的標(biāo)題描述了智能材料與結(jié)構(gòu)的未來。文章說：過不了多久，智能飛機(jī)的機(jī)翼可以像鳥的翅膀一樣彎曲，自動(dòng)改變形狀，從而提高升力和減小阻力；橋梁和電線桿快要斷裂時(shí)可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)，然后自動(dòng)加固自身的結(jié)構(gòu)；空調(diào)可以抑制振動(dòng)而安靜地工作；手槍只有在主任使用時(shí)才能開槍；輪胎需要充氣時(shí)會(huì)禮貌地通知主人；反應(yīng)靈敏的人工肌肉可以使機(jī)器人以假充真。智能飛機(jī)8智能材料和智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用1997年1月6日華盛頓郵報(bào)以“8.1智能材料和結(jié)構(gòu)在航空航天中的應(yīng)用

智能飛機(jī)的概念示意圖

8.1智能材料和結(jié)構(gòu)在航空航天中的應(yīng)用智能飛機(jī)的概念示意(1)智能表層使飛機(jī)表皮具有通信、隱身、敵我識(shí)別、電子對(duì)抗、火控飛控等多種功能。是衡量未來飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。(2)自適應(yīng)機(jī)翼可根據(jù)飛行條件及要求自動(dòng)改變形狀，從而提高升力及減小阻力。(3)飛行器的健康監(jiān)測具有自診斷及自適應(yīng)等健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和裂紋，能自動(dòng)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康評(píng)估及壽命預(yù)測。(4)飛行器的減振和降噪隨著飛行器性能的不斷提高，振動(dòng)及顫振問題越來越突出。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的事故中，振動(dòng)引起的占27%，發(fā)動(dòng)機(jī)事故中，振動(dòng)引起的占40%。8.2航空航