智能结构发展史

智能结构发展史班级:机械11-3班姓名:秦千富学号:3110644324摘要：本文定义了智能结构的含义，详细论述了智能结构发展史，介绍了智能结构的一些应用，分析了哪些智能结构是急需发展突破的，以及主要的发展方向。关键词：关键词：智能结构发展史发展状况具体应用Abstract:Thispaperdefinesthemeaningofintelligentstructure,discussesindetailthehistoryofthedevelopmentofintelligentstructure,introducessomeapplicationsofintelligentstructure,analysisoftheintelligentstructurewhichisurgentlyneededtodevelop,aswellasthemaindevelopmentdirection.Keyword：SmartStructures、History、Development、Specificapplications智能结构，就是在基体中嵌人或粘贴传感器和致动器，并具有对致动器有控制作用的控制装置，从而能感知外界环境的变化及自身的实际状态，并能通过自身的感知，做出判断，发出指令，执行和完成动作，实现动态或在线状态下的自检测、自诊断、自监控、自修复及自适应等多种功能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。一、智能结构的发展史1.1智能结构的诞生近十年来，随着科学技术，特别是航空、航天技术的飞速发展，对材料的要求越来越高。人们发现，传统材料一旦制成成品，就不可能在其使用过程中对其性能实施动态监控；并且传统材料只能被动地受环境的影响，不能针对环境的变化作出适当的反应。针对这些不足，在70年代末80年代初，美国军方为提高其飞行器的性能，首先提出了“智能”结构（smartsturetures或Intellignetstureutres)的概念。1.2国外的发展状况自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。美国是最早从事这一领域研究的国家，军方和一些政府机构直接参与了这项工作。参与智能材料和结构研究与发展的主要机构有美国陆军研究局、弹道导弹防御局、航空航天局、空军(主要是怀特实验室)和海军科研局，以及波音、麦道、TRW、联合机身公司等大公司和许多大学。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)”。90年代初，英国成立了欧洲这一领域首家专门研究机构“斯特拉斯立德大学智能材料与结构研究所”。德国宇航研究院是欧洲从事这一研究的主要机构，它曾将采用植入光纤的自诊断智能结构用于可重复使用运载器的损伤探测和评估以及用于“未来欧洲航天运输系统计划少EsTIP)”进行研究。目前欧洲对飞机的健康监测、直升机主动减振、空间结构的自适应形状控制和阻尼减振、汽车的自适应消声和减振都开展了研究。1.3国内的发展状况虽然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。二、智能结构的发展前景智能结构基于广泛的应用前景,形成了一种以材料科学、控制理论、信息理论、计算机技术、传感器技术等学科交叉综合的新兴学科,成为当今国内外工程与材料领域中最活跃的研究课题。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。目前智能结构设计技术沿两条路线发展：一是根据智能结构的用途，由功能简单到功能复杂、从优化控制到智能控制发展。另一条是更具智能材料的发展而发展。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。智能结构于材料在汽车工业行业的应用,主要的用用可能有1、结构内部损伤检测和结构完整性检测；2、结构的自修复功能；3、振动和噪声的主动控制。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.三、智能结构的运用1、减振降噪智能结构用于航空、航天系统可以消除系统的有害振动,减轻对电子系统的干扰,提高系统的可靠性。智能结构用于舰艇,可以抑制噪声传播,提高潜艇和军舰的声隐身性能。潜艇及飞机机舱的内部噪声,损害健康,危及安全,降低完成任务的潜力。传统的被动降噪是通过增加质量、阻尼,刚度或通过结构的重新设计来改变系统的特性,其降噪效果有限。目前采用扬声器、声探测器有源消声原理为基础的噪声主动控制,系统复杂庞大,难以实际应用。近年迅速发展的智能结构及智能材料,将智能材料制作的传感器、自动器集成在结构上,传感器感知内外环境变化,控制致动器输人,能直接降低结构的振动和噪声。2、结构监测和寿命预测智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹,探测疲劳和受损伤情况,从而能够对结构进行监测和寿命预测。例如,采用光纤传感器陈列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用的航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测;空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构,实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤,对损伤进行评估,实施自诊断。正在研究的自诊断智能结构技术有:光纤传感器自诊断技术,可以测量裂纹的“声音”传感器自诊断技术,及其它可监测复合材料层裂的传感器自诊断技术等。3、环境自适应结构用智能结构制成自适应机翼,能实时感知外界环境的变化,并能驱动机翼弯曲、扭转,从而改变翼型和攻角,以获得最佳气动特性,降低机翼阻力系数,延长机翼的疲劳寿命。美国的一项研究表明,在机翼结构中使用磁致伸缩致动器,可使机翼阻力降低85%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌人智能纤维、电致流变体,可使桨叶扭转变形达几度。美国陆军正在开发直升机旋翼主动控制技术,将用于RAH一6武装直升机。美国防部和航空航天局也正在研究自适应结构,包括翼片弯曲/控制面造型等。4、目前的具体应用1）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。应用到空间工作台，在工作台上使用轻而坚硬的材料，使用的光纤智能机构被用作状态坚持系统，以坚持在对接、碰撞或是在轨道运行时整体结构所发生的变化。它还能与执行器系统连接起来控制振动，以隔离出需要失重环境的部分，消减那些影响指示和跟踪准确性的振动。2)有一些智能结构还应用到医学产品上，例如，利用传感器来测定血液中的药剂量，重新调节药剂静脉注射的速率。3)智能结构最成熟的应用大概要算结构声波主动控制。结构声波主动控制的一种方式是简单地使结构完全停止振动，为达到减少系统所需能量和质量的目的，用分布在整个结构中的执行器控制高辐射模式。这种解决方法的有效性是建立在工程师对系统相互作用的基本物理现象和智能结构的自适应能力的理解基础之上的。4)有一种新的应用领域，它是运用基于Signac干涉仪的长距离应变传感器对大型自然结构进行坚持。这种应用包括：监测地壳板块之间的发生引起地震的滑动之前的应用积累、引起岩浆喷发形成火山的应力以及能源设备和含有危险废料容器下的周围地面的运动。四、急需发展的智能结构当前的智能结构还处在较低级的水平，远没有达到我们期望的功能。智能结构是在智能材料发展的基础上发展完善的，在这个过程中将面临下述问题:(l)元器件高智能化和微型化。(2)本质上结构是分布参数系统，且存在材料性能、尺寸和装配公差，以及连接等不确定性和非线性，这与控制设计的模型相差甚远。与之相应的分布式系统控制方法还有待发展和完善，以使其稳定性和鲁棒性都得到保证。五、今后的主要研究方向：1、研制低能耗、大应变量、高稳定和高寿命的致动器材料2、研制耐高温、低成本、易与基体材料交融的光纤传感器3、研制可植入基体材料中的高性能微电子器件4、新的结构控制技术5、开发智能结构的设计、制造技术等。参考文献：[1]孙四海、刘军.智能材料与智能结构及其应用.[J].淮南职业技术学院学报.2003[2]蒋宇平、秦嵘、朱林琦.智能结构的发展和应用.[J].1998[3]王涛.智能结构分析的样条有限电法.[J].2004[4]蔡泽、余君才.智能结构综述.[J].1998[5]杨大智.智能材料与智能系统[M].天津市：天津大学出版社，2000，12：384~409.[6]马治国、闻邦椿、严云辉.智能机械结构研究现状及展望.1998.4