智能结构与主动控制概论课件

School of Aeronautical Science and Engineering,BUAASchool of Aeronautical Science and Engineering,BUAA智能结构与主动控制智能结构与主动控制赵 寿 根智能结构与主动控制赵智能结构与主动控制赵 寿寿 根根School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA1 引引 言言n材料技术是人类进步的里程碑，是各个历史时期技材料技术是人类进步的里程碑，是各个历史时期技术革命的重要支柱，甚至成为时代的标志。术革命的重要支柱，甚至成为时代的标志。n历史的发展表明每一种新材料的诞生往往会推动社历史的发展表明每一种新材料的诞生往往会推动社会的发生巨大的变革会的发生巨大的变革 n随着社会经济的高速发展和高新技术的广泛应用，随着社会经济的高速发展和高新技术的广泛应用，对材料应用范围、使用条件的复杂性和安全可靠性对材料应用范围、使用条件的复杂性和安全可靠性提出了越来越高要求。如航空航天技术的飞速发展。提出了越来越高要求。如航空航天技术的飞速发展。1 引引 言材料技术是人类进步的里程碑，是各个历史时期技言材料技术是人类进步的里程碑，是各个历史时期技School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA材料成为时代标志的示意图 材料成为时代标志的示意图材料成为时代标志的示意图 School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA智能结构与主动控制概论课件智能结构与主动控制概论课件School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA智能结构与主动控制概论课件智能结构与主动控制概论课件School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA2 智能材料和智能结构概论的提出智能材料和智能结构概论的提出Q20世纪世纪50年代，人们提出了智能结构的概论，当时年代，人们提出了智能结构的概论，当时把它称为自适应系统把它称为自适应系统(adaptive system)。在智能结构。在智能结构的发展过程中，人们越来越意识到智能结构的实现的发展过程中，人们越来越意识到智能结构的实现离不开智能材料的研究和发展。离不开智能材料的研究和发展。Q20世纪七十年代，美国弗吉尼亚理工学院及州立大世纪七十年代，美国弗吉尼亚理工学院及州立大学的学的Claus等人将光纤埋入炭纤维增强复合材料中，等人将光纤埋入炭纤维增强复合材料中，使材料具有感知应力和断裂损伤的能力。这是智能使材料具有感知应力和断裂损伤的能力。这是智能材料的首次实验，当时称这种材料系统为自适应材材料的首次实验，当时称这种材料系统为自适应材料。料。2 智能材料和智能结构概论的提出智能材料和智能结构概论的提出20世纪世纪50年代，人们提出了年代，人们提出了School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAQ智能结构是智能结构是20世纪八十年代中期由美国军方率先世纪八十年代中期由美国军方率先提出并进行研究的，世界各工业发达国家，尤其提出并进行研究的，世界各工业发达国家，尤其是军方和航空界对此一直十分重视。是军方和航空界对此一直十分重视。Q一九八八年四月二十八日波音一九八八年四月二十八日波音737客机在美国出现客机在美国出现灾难性断裂事故，使美国国会意识到，为避免服灾难性断裂事故，使美国国会意识到，为避免服役中的飞机发生类似事故，飞机应有自我诊断和役中的飞机发生类似事故，飞机应有自我诊断和及时预报系统，并通过议案，要求及时预报系统，并通过议案，要求3年内完成年内完成Smart飞机的概念设计。飞机的概念设计。智能结构是智能结构是20世纪八十年代中期由美国军方率先提出并进行研究的世纪八十年代中期由美国军方率先提出并进行研究的School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAQ1984年，美国陆军科研局就旋翼飞行器技术的研究给年，美国陆军科研局就旋翼飞行器技术的研究给予赞助，揭开了智能材料与结构应用研究的序幕；予赞助，揭开了智能材料与结构应用研究的序幕；Q1985年起，美国政府提出了开展智能结构的研究计划，年起，美国政府提出了开展智能结构的研究计划，要求航天器具有自适应性；要求航天器具有自适应性；Q1987年起，美国空军将智能结构的研究列如重点资助年起，美国空军将智能结构的研究列如重点资助目录；目录；Q1988年后，美国各大学和航天航空机构的公司、研究年后，美国各大学和航天航空机构的公司、研究所均大量展开智能材料与结构的研究工作。所均大量展开智能材料与结构的研究工作。3 国内外研究的开展国内外研究的开展1984年，美国陆军科研局就旋翼飞行器技术的研究给予赞助，揭年，美国陆军科研局就旋翼飞行器技术的研究给予赞助，揭School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAQ继美国之后，日本、英国、德国、澳大利亚和韩继美国之后，日本、英国、德国、澳大利亚和韩国等相继投入人力、物力、财力开展智能材料结国等相继投入人力、物力、财力开展智能材料结构的研究工作，并创建了构的研究工作，并创建了智能材料系统与结构智能材料系统与结构、机敏材料与结构机敏材料与结构等学术期刊；等学术期刊；Q1991年，欧洲在英国成立了智能材料与结构研究年，欧洲在英国成立了智能材料与结构研究所所Q我国于我国于1991年起开展这方面的工作，年起开展这方面的工作，1993年起，年起，国家自然科学基金和航空基金等将其列入研究计国家自然科学基金和航空基金等将其列入研究计划。划。国内外研究的开展国内外研究的开展(续续)继美国之后，日本、英国、德国、澳大利亚和韩国等相继投入人力、继美国之后，日本、英国、德国、澳大利亚和韩国等相继投入人力、School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA4 智能材料及智能结构概述智能材料及智能结构概述 n智智 能能 材材 料料(1)智能材料要求材料集感知、驱动和信息处理于一体，智能材料要求材料集感知、驱动和信息处理于一体，从而形成类似生物材料那样具有智能属性的材料，从而形成类似生物材料那样具有智能属性的材料，因而人们习惯称之为因而人们习惯称之为intelligent material或或smart material。(2)主要特性体现在两个方面：一是对外界的刺激强度主要特性体现在两个方面：一是对外界的刺激强度具有感知具有感知的材料，称为感知材料，用它可以做成各的材料，称为感知材料，用它可以做成各种传感器；二是对外界环境条件种传感器；二是对外界环境条件(或内部状态或内部状态)作出作出响应或驱动响应或驱动的材料，用它可以做成驱动器的材料，用它可以做成驱动器(或执行器或执行器)。4 智能材料及智能结构概述智能材料及智能结构概述 智智 能能 材材 料料School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA表1 典型智能材料及其功能材料名称传感器作动器电感材料感材料电流流变体体光光导纤维压电材料材料X感光材料感光材料声声发射材料射材料电致伸致伸缩材料材料磁致伸磁致伸缩材料材料形状形状记忆合金合金电阻阻应变材料材料表表1 典型智能材料及其功能材料名称传感器作动器电感材料典型智能材料及其功能材料名称传感器作动器电感材料电流电流School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA环环境境温度温度 电场电场压力压力 磁场磁场温度温度 声声位置位置 光辐射光辐射速度速度 化学辐射化学辐射加速度加速度 生物环境生物环境反反应应机械响应机械响应流体运动流体运动电流流动电流流动物理性能物理性能功率控制功率控制化学行为化学行为生理行为生理行为智能材料的感知和执行功能环温度环温度 电场反机械响应智能材料的感知和执行功能电场反机械响应智能材料的感知和执行功能School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAn智能结构智能结构Q传统的结构是一种被动结构传统的结构是一种被动结构，这种被动结构一经，这种被动结构一经设计、制造完成后，其性能不易改变，不能适应设计、制造完成后，其性能不易改变，不能适应不断发展的空间结构的要求。不断发展的空间结构的要求。Q主动控制技术虽然可以在一定程度上改善结构的主动控制技术虽然可以在一定程度上改善结构的适应能力和工作性能，但需要在原结构上适应能力和工作性能，但需要在原结构上附加一附加一些传感器和作动器些传感器和作动器，增加了结构系统的重量，再，增加了结构系统的重量，再加上主动控制系统往往过于庞大和复杂，可靠性加上主动控制系统往往过于庞大和复杂，可靠性低，因此使得传统主动控制技术在空间结构振动低，因此使得传统主动控制技术在空间结构振动控制的实际应用中受到一定限制。控制的实际应用中受到一定限制。智能结构传统的结构是一种被动结构，这种被动结构一经设计、制造智能结构传统的结构是一种被动结构，这种被动结构一经设计、制造School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAn智能结构智能结构Q要提高这种复杂的，非线性的系统性能，为此结构要提高这种复杂的，非线性的系统性能，为此结构设计必须另谋出路。设计必须另谋出路。Q近十几年来，随着材料科学、控制、微电子和计算近十几年来，随着材料科学、控制、微电子和计算机技术的迅速发展，特别是新型传感器和作动器的机技术的迅速发展，特别是新型传感器和作动器的研究取得突破性进展，在结构控制设计中不断采用研究取得突破性进展，在结构控制设计中不断采用新型传感材料和作动材料集成于结构中，替代了传新型传感材料和作动材料集成于结构中，替代了传统的传感器和作动器在结构控制中所起的作用，逐统的传感器和作动器在结构控制中所起的作用，逐步形成了传感、作动元件、控制器与主体结构集成步形成了传感、作动元件、控制器与主体结构集成的一体化结构形式，促进结构设计中新技术的发展，的一体化结构形式，促进结构设计中新技术的发展，产生了产生了智能结构智能结构的概念的概念智能结构要提高这种复杂的，非线性的系统性能，为此结构设计必须智能结构要提高这种复杂的，非线性的系统性能，为此结构设计必须School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA(1)智能结构智能结构是以智能材料作为传感元件和作动元件，是以智能材料作为传感元件和作动元件，具有感识外界和内部状态与特性的变化，并能对这具有感识外界和内部状态与特性的变化，并能对这些变化的具体特征和原因进行辩识，进而采取相应些变化的具体特征和原因进行辩识，进而采取相应的控制律，做出合理响应的一类结构称之为智能结的控制律，做出合理响应的一类结构称之为智能结构构。(2)还具备自诊断，自感识，自修复等额外的还具备自诊断，自感识，自修复等额外的“智能智能”性能性能。n智能结构智能结构(1)智能结构是以智能材料作为传感元件和作动元件，具有感识智能结构是以智能材料作为传感元件和作动元件，具有感识School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA智能结构的基本功能有：智能结构的基本功能有：感识、自我调节、自我恢复感识、自我调节、自我恢复和控制和控制等，它包含的关键组成部分有：传感元件、驱等，它包含的关键组成部分有：传感元件、驱动元件、信息处理系统和控制系统等。典型的智能结动元件、信息处理系统和控制系统等。典型的智能结构的示意图如下图所示。构的示意图如下图所示。Q智能结构智能结构智能结构的基本功能有：感识、自我调节、自我恢复和控制等，它包智能结构的基本功能有：感识、自我调节、自我恢复和控制等，它包School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAQ美国麻省理工学院美国麻省理工学院(MIT)的的Crawley用四个层次来定义智能结构。用四个层次来定义智能结构。Q第一层次，两类最基本的初型智能结构是第一层次，两类最基本的初型智能结构是传感结构和自适应结传感结构和自适应结构构。传感结构主要用于结构系统的监测和故障诊断方面，而自适。传感结构主要用于结构系统的监测和故障诊断方面，而自适应结构可以通过预定的控制规律改变系统的形状或特性。应结构可以通过预定的控制规律改变系统的形状或特性。Q第二层次是传感结构类与自适应结构类的交接部分，也即第二层次是传感结构类与自适应结构类的交接部分，也即受控受控结构结构，是一种能够主动控制结构形态或特性的闭环控制结构系统，是一种能够主动控制结构形态或特性的闭环控制结构系统，它由传统的结构与一个独立的控制系统所组成。，它由传统的结构与一个独立的控制系统所组成。美国麻省理工学院美国麻省理工学院(MIT)的的Crawley用四个层次来定义智用四个层次来定义智School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAQ第三层次的主动结构实际上也是一种受控结构，它同第二层次第三层次的主动结构实际上也是一种受控结构，它同第二层次的受控结构的区别在于的受控结构的区别在于它不仅具有传感、控制功能，而且具有结它不仅具有传感、控制功能，而且具有结构承载功能，并且把作动器与传感器高度地综合在结构中。构承载功能，并且把作动器与传感器高度地综合在结构中。一目一目前，这个层次的智能结构是研究的重点。前，这个层次的智能结构是研究的重点。Q第四层次的智能结构是结构的最高形式，它是第四层次的智能结构是结构的最高形式，它是将传感、作动、将传感、作动、控制、信息处理和人工智能等环节与主体结构融和在一起，具有控制、信息处理和人工智能等环节与主体结构融和在一起，具有感知、智能逻辑判断与响应内外环境变化的能力，实现结构的自感知、智能逻辑判断与响应内外环境变化的能力，实现结构的自检测、自诊断、自校正、自适应、自修复检测、自诊断、自校正、自适应、自修复等功能。目前，真正意等功能。目前，真正意义上的智能结构还没有实现，但是，随着科技的发展，相信在不义上的智能结构还没有实现，但是，随着科技的发展，相信在不久的将来，将会研制出实际可用的智能结构。久的将来，将会研制出实际可用的智能结构。第三层次的主动结构实际上也是一种受控结构，它同第二层次的受控第三层次的主动结构实际上也是一种受控结构，它同第二层次的受控School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA 智能材料和结构的发展受到了其它学科强大的支持和智能材料和结构的发展受到了其它学科强大的支持和帮助，受到了以下学科领域的的推动：帮助，受到了以下学科领域的的推动：(1)材料耦合特性分析的研究；材料耦合特性分析的研究；(2)复合复合(叠层叠层)材料的研究、设计和制造技术的发展；材料的研究、设计和制造技术的发展；(3)自适应控制、鲁棒控制、容错技术与智能控制技术自适应控制、鲁棒控制、容错技术与智能控制技术 的研究和发展；的研究和发展；(4)计算机和微电子技术的研究和发展。计算机和微电子技术的研究和发展。5 学科的发展和融合提供强大的技学科的发展和融合提供强大的技术支持术支持 智能材料和结构的发展受到了其它学科强大的支持和帮助，受智能材料和结构的发展受到了其它学科强大的支持和帮助，受School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA6.1 传感器传感器 Q传感器的定义：能感受规定的备测物理量并按照传感器的定义：能感受规定的备测物理量并按照一定的规律转换成为可用输出信号的器件或装置，一定的规律转换成为可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。通常由敏感元件和转换元件组成。Q能感知结构状态和环境改变，并且易于集成和分能感知结构状态和环境改变，并且易于集成和分布。布。6 智能材料与结构的关键技术智能材料与结构的关键技术6.1 传感器传感器 6 智能材料与结构的关键技术智能材料与结构的关键技术School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA表2 常用传感器的性能比较表表2 常用传感器的性能比较常用传感器的性能比较School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA6.2 作动器作动器Q作动器是实施振动主动控制的关键部件作动器是实施振动主动控制的关键部件，是主动控，是主动控制系统的重要环节。作动器的制系统的重要环节。作动器的作用是按照确定的控作用是按照确定的控制律对控制对象施加控制力制律对控制对象施加控制力。随着振动主动控制技。随着振动主动控制技术的发展术的发展,对作动器的要求愈来愈高。近年来对作动器的要求愈来愈高。近年来,在传在传统的流体作动、气体作动器和电器作动器的基础上，统的流体作动、气体作动器和电器作动器的基础上，研究开发出了多种智能型作动器，如压电陶瓷作动研究开发出了多种智能型作动器，如压电陶瓷作动器、压电薄膜作动器、电致伸缩作动器、磁致伸缩器、压电薄膜作动器、电致伸缩作动器、磁致伸缩作动器、形状记忆合金作动器和电流变流体作动器作动器、形状记忆合金作动器和电流变流体作动器等。这些作动器的出现为实现高精度的振动主动控等。这些作动器的出现为实现高精度的振动主动控制提供了必要条件。制提供了必要条件。6.2 作动器作动器School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA表3 常用作感器的性能比较 作动器要求作动器要求易于集成易于集成，并具有对机构状态施加，并具有对机构状态施加足够影足够影响力响力的能力；的能力；表表3 常用作感器的性能比较常用作感器的性能比较 作动器要求易于集成，并具有对机构作动器要求易于集成，并具有对机构School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA(1)兼容性要求。传感器和作动器与材料本体结兼容性要求。传感器和作动器与材料本体结 构的构的兼容性要好兼容性要好；(2)稳定性要求。传感器和作动器工作时性能要稳定性要求。传感器和作动器工作时性能要稳定可稳定可靠靠，同时，同时抗干扰能力相对要好抗干扰能力相对要好；(3)响应频带要求。传感器和作动器应具有响应频带要求。传感器和作动器应具有较快的响应较快的响应速度速度和和较宽的响应频带较宽的响应频带；(4)精度要求。传感器工作时应具有精度要求。传感器工作时应具有较高的测量精度较高的测量精度和和灵敏度灵敏度；(5)驱动力要求。作动器工作时应能产生驱动力要求。作动器工作时应能产生足够大的变形足够大的变形和驱动力和驱动力，同时具有，同时具有较小的能量耗损较小的能量耗损。6.3 对传感器和作动器性能的基本要求对传感器和作动器性能的基本要求(1)兼容性要求。传感器和作动器与材料本体结兼容性要求。传感器和作动器与材料本体结 构的兼容性要构的兼容性要School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA6.4 控制器控制器 Q智能结构的控制器是智能结构的神经中枢智能结构的控制器是智能结构的神经中枢；Q控制系统应具有控制速度快、鲁棒性和实时性好的控制系统应具有控制速度快、鲁棒性和实时性好的特点。特点。6.5 控制算法控制算法 Q其控制分其控制分3个层次：局部控制、全局控制和智能控个层次：局部控制、全局控制和智能控制。制。Q局部控制目标通常为局部控制目标通常为增大阻尼、吸收能量、减小局增大阻尼、吸收能量、减小局部应力和应变部应力和应变等，全局控制目标通常为控制结构形等，全局控制目标通常为控制结构形状、抑制扰动和稳定结构等，智能控制目标通常为状、抑制扰动和稳定结构等，智能控制目标通常为系统辨识、故障诊断和修复、结构功能重构等。系统辨识、故障诊断和修复、结构功能重构等。6.4 控制器控制器 School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA6.6 结构集成技术结构集成技术 智能结构的设计和集成技术智能结构的设计和集成技术是影响智能结构推广应是影响智能结构推广应用的关键点之一用的关键点之一。图3 智能材料与结构的集成技术的现状和发展 宏观复合宏观复合细观复合细观复合细或纳观复合细或纳观复合6.6 结构集成技术结构集成技术 图图3 智能材料与结构的集成技术的现状和智能材料与结构的集成技术的现状和School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA7 几种常用的智能材料 7.1 形状记忆材料形状记忆材料 形状记忆材料形状记忆材料(SMA)是一种特殊的力是一种特殊的力热耦合材料，热耦合材料，具有单程、双程和全程记忆功能具有单程、双程和全程记忆功能。它最显著的特它最显著的特性是材料具有形状记忆效应性是材料具有形状记忆效应(SME)和超弹性和超弹性(PE)。形状记忆效应形状记忆效应(SME)是指变形后马氏体是指变形后马氏体(SMA)在环境温度上在环境温度上升到母相转变开始温度后，如果不受外力的约束将发生形状升到母相转变开始温度后，如果不受外力的约束将发生形状恢复；当受外力约束而不能恢复时将输出应力。恢复；当受外力约束而不能恢复时将输出应力。超弹性超弹性(PE)是指处于母相状态的形状记忆合金因应力诱发马是指处于母相状态的形状记忆合金因应力诱发马氏体相变的发生，其宏观可恢复拉伸应变远大于一般金属材氏体相变的发生，其宏观可恢复拉伸应变远大于一般金属材料的弹性变形极限，又称伪弹性。料的弹性变形极限，又称伪弹性。7 几种常用的智能材料几种常用的智能材料 7.1 形状记忆材料形状记忆材料School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAQ形状记忆材料的优缺点形状记忆材料的优缺点优点：优点：本体材料相容性好；变形量大；加热后驱动力本体材料相容性好；变形量大；加热后驱动力大；可实现多种变形等优点。大；可实现多种变形等优点。SMA驱动器的动作除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，相对其他智能复合材料在价格、抗外界干扰特性，相对其他智能复合材料在价格、技术成熟性和可植入性等方面也有明显的优势。技术成熟性和可植入性等方面也有明显的优势。缺点为：缺点为：响应速度慢，只能适合于结构的低频控制；响应速度慢，只能适合于结构的低频控制；使用时需要较大电流使用时需要较大电流。7.1 形状记忆材料形状记忆材料形状记忆材料的优缺点形状记忆材料的优缺点7.1 形状记忆材料形状记忆材料School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA电流变体，电流变体，简称简称ER流体，是一种比较流体，是一种比较特殊的流体，在外电场的特殊的流体，在外电场的作用下，电流体中的胶质作用下，电流体中的胶质悬浮液迅速地排列成有规悬浮液迅速地排列成有规律的链条状结构，并平行律的链条状结构，并平行于电场，从而呈现固体特于电场，从而呈现固体特性，并具有可测量的刚度，性，并具有可测量的刚度，同时其屈服剪切应力随电同时其屈服剪切应力随电场强度和剪切应变速度的场强度和剪切应变速度的增大而增大，而在撤去外增大而增大，而在撤去外电场后，它又可以在瞬间电场后，它又可以在瞬间内恢复到液体状态。内恢复到液体状态。其缺点：其缺点：在于转换电压太高在于转换电压太高,附加设备多附加设备多.电流变体作动原理示意图 7.2 电(磁)流变体电流变体，电流变体作动原理示意图电流变体，电流变体作动原理示意图 7.2 电电(磁磁)流变体流变体School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA从物理组成上看，电流变体是高介电常数的从物理组成上看，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固体微粒分散在低介电常数的绝缘油液中的悬浮体。当无电场作用时，悬浮体。当无电场作用时，ERF是一种牛顿是一种牛顿流体，在电场的作用下，流体，在电场的作用下，ERF中的悬浮颗粒中的悬浮颗粒产生电极化，增大了对流体的抵抗，使液体产生电极化，增大了对流体的抵抗，使液体具有一定曲服应力类似于固体性质。具有一定曲服应力类似于固体性质。从物理组成上看，电流变体是高介电常数的固体微粒分散在低介电常从物理组成上看，电流变体是高介电常数的固体微粒分散在低介电常School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA 磁致伸缩材料在磁场作用下会产生磁畴旋转，从而引起材料磁致伸缩材料在磁场作用下会产生磁畴旋转，从而引起材料变形和产生驱动力，将磁能转换为机械能。变形和产生驱动力，将磁能转换为机械能。目前磁致伸缩材料已用于低频高功率声纳传感器、强力直线目前磁致伸缩材料已用于低频高功率声纳传感器、强力直线型电机、大转矩低速旋转电机和液压机执行器。型电机、大转矩低速旋转电机和液压机执行器。优点有：优点有：具有位移控制量大；响应速度较快；不存在时间老化具有位移控制量大；响应速度较快；不存在时间老化问题问题。缺点在于：缺点在于：需要较多的附加线圈、电机和封装等附加设备，易需要较多的附加线圈、电机和封装等附加设备，易于发生击穿现象于发生击穿现象。7.3 磁致伸缩材料磁致伸缩材料 磁致伸缩材料在磁场作用下会产生磁畴旋转，从而引起磁致伸缩材料在磁场作用下会产生磁畴旋转，从而引起School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA 光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制成的光导元件。通过分析光的传播特性成的光导元件。通过分析光的传播特性(光强、相光强、相位等位等)获得光纤周围的力、温度、位移、压强、密获得光纤周围的力、温度、位移、压强、密度、磁场、成分和度、磁场、成分和X射线等参数的变化。射线等参数的变化。光导纤维是最先应用于智能结构的传感元件。光导纤维是最先应用于智能结构的传感元件。优优 点：点：对电磁干扰不敏感；光纤很细，对本体对电磁干扰不敏感；光纤很细，对本体机构强度影响较小；频率响应高；具有不腐蚀机构强度影响较小；频率响应高；具有不腐蚀特性，可在高低温和有害环境下安全工作特性，可在高低温和有害环境下安全工作。缺点为：缺点为：有非线性效应、辅助设备多且复杂、数据处有非线性效应、辅助设备多且复杂、数据处理复杂。理复杂。7.4光纤传感系统光纤传感系统 光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制成的光光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制成的光School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA利用压电材料的正压电效应和逆压电效应可将利用压电材料的正压电效应和逆压电效应可将其用为传感器和作动器。其用为传感器和作动器。优优 点：点：重量轻、体积小、能耗低，响应快、刚度大重量轻、体积小、能耗低，响应快、刚度大。其缺点：其缺点：与本体材料相容性差，易于在分界面处造成与本体材料相容性差，易于在分界面处造成损伤和断裂；易脆易裂，不适于大面积使用和布置。损伤和断裂；易脆易裂，不适于大面积使用和布置。7.5 压电及压电复合材料压电及压电复合材料 利用压电材料的正压电效应和逆压电效应可将利用压电材料的正压电效应和逆压电效应可将7.5 压电及压电复压电及压电复School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA 鉴于纯压电材料的不足，人们采用基体材料和压电材鉴于纯压电材料的不足，人们采用基体材料和压电材料复合的方法得到了压电复合材料，它出现克服了纯料复合的方法得到了压电复合材料，它出现克服了纯压电陶瓷在脆性、相容性、可靠性方面的缺陷，从而压电陶瓷在脆性、相容性、可靠性方面的缺陷，从而使得压电复合材料可以大面积使用和布置。使得压电复合材料可以大面积使用和布置。图5 压电复合材料的两种典型方式 鉴于纯压电材料的不足，人们采用基体材料和压电材料复合鉴于纯压电材料的不足，人们采用基体材料和压电材料复合School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA图6 压电纤维复合材料模型示意图图图6 压电纤维复合材料模型示意图压电纤维复合材料模型示意图School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA8 智能材料和智能结构的应用Q1997年年1月月6日华盛顿邮报以日华盛顿邮报以“智能材料可以产生奇迹智能材料可以产生奇迹”的标题描述了智能材料与结构的未来。文章说：过的标题描述了智能材料与结构的未来。文章说：过不了多久，智能飞机的机翼可以像鸟的翅膀一样弯曲，不了多久，智能飞机的机翼可以像鸟的翅膀一样弯曲，自动改变形状，从而提高升力和减小阻力；桥梁和电自动改变形状，从而提高升力和减小阻力；桥梁和电线杆快要断裂时可以发出报警信号，然后自动加固自线杆快要断裂时可以发出报警信号，然后自动加固自身的结构；空调可以抑制振动而安静地工作；手枪只身的结构；空调可以抑制振动而安静地工作；手枪只有在主任使用时才能开枪；轮胎需要充气时会礼貌地有在主任使用时才能开枪；轮胎需要充气时会礼貌地通知主人；反应灵敏的人工肌肉可以使机器人以假充通知主人；反应灵敏的人工肌肉可以使机器人以假充真。真。智能飞机智能飞机8 智能材料和智能结构的应用智能材料和智能结构的应用1997年年1月月6日华盛顿邮报以日华盛顿邮报以“School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA8.1 智能材料和结构在航空航天中的应用 智能飞机的概念示意图 8.1 智能材料和结构在航空航天中的应用智能材料和结构在航空航天中的应用 智能飞机的概念示意智能飞机的概念示意School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA(1)智能表层智能表层使飞机表皮具有通信、隐身、敌我识别、电子对抗、火控飞控等多种功使飞机表皮具有通信、隐身、敌我识别、电子对抗、火控飞控等多种功能。是衡量未来飞机先进性的重要标志。能。是衡量未来飞机先进性的重要标志。(2)自适应机翼自适应机翼可根据飞行条件及要求自动改变形状，从而提高升力及减小阻力。可根据飞行条件及要求自动改变形状，从而提高升力及减小阻力。(3)飞行器的健康监测飞行器的健康监测具有自诊断及自适应等健康监测系统，可以实时监测结构内部应力、应具有自诊断及自适应等健康监测系统，可以实时监测结构内部应力、应变、温度和裂纹，能自动地进行结构健康评估及寿命预测。变、温度和裂纹，能自动地进行结构健康评估及寿命预测。(4)飞行器的减振和降噪飞行器的减振和降噪随着飞行器性能的不断提高，振动及颤振问题越来越突出。飞机结构的随着飞行器性能的不断提高，振动及颤振问题越来越突出。飞机结构的事故中，振动引起的占事故中，振动引起的占27%，发动机事故中，振动引起的占，发动机事故中，振动引起的占40%。8.2 航空航天工业领域几个重点研究方向航空航天工业领域几个重点研究方向(1)智能表层智能表层8.2 航空航天工业领域几个重点研究方向航空航天工业领域几个重点研究方向School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA特别是在一些对国民经济影响重大的大型工程中，如三特别是在一些对国民经济影响重大的大型工程中，如三峡工程、核电站、大型建筑和桥梁等。这些工程要求峡工程、核电站、大型建筑和桥梁等。这些工程要求能适应复杂和突变的环境，因而这些工程的结构具有能适应复杂和突变的环境，因而这些工程的结构具有自诊断、自调节和自修复功能非常重要。自诊断、自调节和自修复功能非常重要。下面几种为目前在土木工程中应用的智能结构：下面几种为目前在土木工程中应用的智能结构：(1)自诊断光纤混凝土结构；自诊断光纤混凝土结构；(2)纤维智能减振结构；纤维智能减振结构；(3)裂缝自愈合混凝土机构等。裂缝自愈合混凝土机构等。8.3智能材料和结构在土木工程中的应用智能材料和结构在土木工程中的应用 特别是在一些对国民经济影响重大的大型工程中，如三峡工程、核电特别是在一些对国民经济影响重大的大型工程中，如三峡工程、核电School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA裂缝自愈合混凝土材料模型 裂缝自愈合混凝土材料模型裂缝自愈合混凝土材料模型 School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA 智能材料和结构还可用于医学生物工程、交通智能材料和结构还可用于医学生物工程、交通 工具、信息系统等民用领域。工具、信息系统等民用领域。如：利用智能材料结构可以制造出许多别具一格的体育用具。可以利用智能如：利用智能材料结构可以制造出许多别具一格的体育用具。可以利用智能材料结构制出人工神经的假肢、先进的运动性骨折手术、残疾人用智能轮材料结构制出人工神经的假肢、先进的运动性骨折手术、残疾人用智能轮椅等。医学上还可以利用智能材料结构制造出人工胰脏、肝、胃等器官，椅等。医学上还可以利用智能材料结构制造出人工胰脏、肝、胃等器官，为患有此类器官病症的患者带来福音。为患有此类器官病症的患者带来福音。8.4 其它用途其它用途 智能材料和结构还可用于医学生物工程、交通智能材料和结构还可用于医学生物工程、交通8.4 其它用其它用School of Aeronautical Science and Engineering,BUAA9 智能材料与结构的研究进展智能材料与结构的研究进展Q目前，智能材料的研究经过基础性研究与探索，己在目前，智能材料的研究经过基础性研究与探索，己在基本原理、传感器研制、作动器研制、功能器件与复基本原理、传感器研制、作动器研制、功能器件与复合材料之间匹配技术、智能材料成型工艺技术、智能合材料之间匹配技术、智能材料成型工艺技术、智能材料在特殊环境下的性能评价、主动控制智能器件等材料在特殊环境下的性能评价、主动控制智能器件等方面开展了许多工作，取得了较大突破。并且，已经方面开展了许多工作，取得了较大突破。并且，已经从基础性研究进入到预研和应用性研究阶段。从基础性研究进入到预研和应用性研究阶段。Q预计在预计在2020年后，智能材料的研究将全面实用化，从年后，智能材料的研究将全面实用化，从实验室研究进入实际结构全面实用阶段。实验室研究进入实际结构全面实用阶段。9 智能材料与结构的研究进展目前，智能材料的研究经过基础性研智能材料与结构的研究进展目前，智能材料的研究经过基础性研School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAQ智能材料与结构的研究目前主要有两条技术线路智能材料与结构的研究目前主要有两条技术线路:一条是美国一条是美国提出的提出的将传感器、处理器和制动器埋入结构将传感器、处理器和制动器埋入结构中，通过高度集成中，通过高度集成制造智能结构，即所谓智能结构。制造智能结构，即所谓智能结构。Q另一条是日本提出的将上述智能结构中的另一条是日本提出的将上述智能结构中的传感器、处理器和制传感器、处理器和制动器与结构的宏观结合变为在原子、分子层次上的微观动器与结构的宏观结合变为在原子、分子层次上的微观“组装组装”，从而得到更为均匀的物质材料，从而得到更为均匀的物质材料，目前该方面的研究处于基，目前该方面的研究处于基础理论研究阶段。础理论研究阶段。Q相反，宏观智能材料即智能结构的研究却开展得更为广泛，主相反，宏观智能材料即智能结构的研究却开展得更为广泛，主要侧重于通过形成的智能结构，对结构进行健康检测、形状控要侧重于通过形成的智能结构，对结构进行健康检测、形状控制和改变、振动控制、损伤抑制和修复、工艺过程监控、精确制和改变、振动控制、损伤抑制和修复、工艺过程监控、精确定位等，而用于振动工程中的智能结构所研究的基本问题主要定位等，而用于振动工程中的智能结构所研究的基本问题主要集中在：传感器、作动器、智能结构动力学建模及其振动控制，集中在：传感器、作动器、智能结构动力学建模及其振动控制，传感传感/作动器在智能结构中的优化配置等方面作动器在智能结构中的优化配置等方面智能材料与结构的研究目前主要有两条技术线路智能材料与结构的研究目前主要有两条技术线路:一条是美国提出的一条是美国提出的School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAQ目前，智能结构的研究形式概括为两大类，以板、壳、梁为代目前，智能结构的研究形式概括为两大类，以板、壳、梁为代表的分布式结构和以析架为代表的离散式结构。表的分布式结构和以析架为代表的离散式结构。Q在分布式结构中，传感器和作动器通常分别由两组功能元件在分布式结构中，传感器和作动器通常分别由两组功能元件(如如压电片压电片)组成，它们可分布粘贴于主体结构表面或嵌入结构内部，组成，它们可分布粘贴于主体结构表面或嵌入结构内部，从硬件角度有机地与主体结构集成在一体，这两组元件分别在结从硬件角度有机地与主体结构集成在一体，这两组元件分别在结构中起作动和传感作用，一般各自配置不同信号和驱动电路。构中起作动和传感作用，一般各自配置不同信号和驱动电路。(例如在实现梁的压电振动控制时，可在梁结构的上下表面粘贴多例如在实现梁的压电振动控制时，可在梁结构的上下表面粘贴多组压电片作为作动器，配以适当的驱动电路，提供作动控制力。组压电片作为作动器，配以适当的驱动电路，提供作动控制力。用于传感器的压电片也可以同样的方式粘贴，连接信号放大电路。用于传感器的压电片也可以同样的方式粘贴，连接信号放大电路。粘贴式简便易行，但由于存在必要的胶接层，使得结构表面出现粘贴式简便易行，但由于存在必要的胶接层，使得结构表面出现发脆的成分。嵌入式是将功能材料直接埋入结构内部，可增加功发脆的成分。嵌入式是将功能材料直接埋入结构内部，可增加功能元件与结构层之间的荷载传递能力和可靠性，克服前一种结合能元件与结构层之间的荷载传递能力和可靠性，克服前一种结合方式存在的问题，然而嵌入式结合增加了结构设计和制造工艺的方式存在的问题，然而嵌入式结合增加了结构设计和制造工艺的复杂程度。复杂程度。)目前，智能结构的研究形式概括为两大类，以板、壳、梁为代表的分目前，智能结构的研究形式概括为两大类，以板、壳、梁为代表的分School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAQ对于离散式智能桁架结构，传感和作动元件是以集对于离散式智能桁架结构，传感和作动元件是以集成的方式存在于主动构件中，主动构件同时具有作动成的方式存在于主动构件中，主动构件同时具有作动和传感功能，然后再将主动构件配置在智能桁架结构和传感功能，然后再将主动构件配置在智能桁架结构的若干个关键部位，或直接取代原结构的某些被动构的若干个关键部位，或直接取代原结构的某些被动构件而形成。件而形成。对于离散式智能桁架结构，传感和作动元件是以集成的方式存在于主对于离散式智能桁架结构，传感和作动元件是以集成的方式存在于主School of Aeronautical Science and Engineering,BUAAEND THANK YOU!END THANK YOU!