1、學習內容名稱智能結構與智能機構智能結構與智能機構摘要：智能結構是一種仿生結構體系。通過總結當前的研究現狀，結合具體實例，得到智能結構的關鍵技術和發展前景。1. 智能結構與智能機構簡介 智能結構可以定義成一種仿生結構體系,它集主結構、傳感器、控制器及驅動器于一體,具有結構健康自診斷、自監控、環境自適應以及損傷自愈合自修復的生命特征及智能功能,在危險發生時能自己保護自己1。智能結構也可以定義成：可以根據外部條件和內部條件主動地改變結構特性以最優地滿足任務需要的結構。外部條件可能包括環境、載荷或已制造出及已在使用中的結構幾何外形。內部條件可能包括對材料或結構的局部區域的破壞、失效的隔離和改變載荷傳輸

2、途徑等。智能機構指由兩個或兩個以上構件通過活動聯接形成的智能構件系統。1.1智能材料（intelligent material）智能材料（Intelligent material），是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執行的新型功能材料1。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料，是現代高技術新材料發展的重要方向之一，將支撐未來高技術的發展，使傳統意義下的功能材料和結構材料之間的界線逐漸消失，實現結構功能化、功能多樣化。科學家預言，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。一般說來，智能材料有七大功能，即傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能

3、、響應功能、自診斷能力、自修復能力和自適應能力。具體來說，智能材料需具備以下內涵：(1)具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界(或者內部)的刺激強度，如電，光，熱，應力，應變，化學，核輻射等；(2)具有驅動功能，能夠響應外界變化；(3)能夠按照設定的方式選擇和控制響應；(4)反應比較靈敏,及時和恰當；(5)當外部刺激消除后,能夠迅速恢復到原始狀態。智能材料又可以稱為敏感材料，其英文翻譯也有若干種，常用的有Intelligent material，Intelligent material and structure，Smart material，Smart material and struct

4、ure，Adaptive material and structure等。智能材料大體可分為電磁流變體，形狀記憶合金2。1.1.1電磁流變體在20世紀40年代末期，人們發現在普通的流體中摻入適當的磁性懸浮物。就成為電磁流變體。當外加磁場作用在這種流體上時，由于懸浮物磁向與外磁場一致，就大大約束了流體的運動，整個流體呈現固體化的性質。而且反應之快，是在短于微妙級的時間間隔內完成的。懸浮物為磁性體時稱為磁流變體（MR），而懸浮物是電介質時稱為電流變體（ER）。1.1.2.形狀記憶材料 材料在外力作用下發生殘余變形后，在溫度作用下又會發生逆變形，使材料恢復原狀。冷卻后再再發生殘余變形，再加熱，結果還

5、能恢復原狀。這種現象稱為形狀記憶效應（Shape Memory Effect）。這種具有形狀記憶效應（SME）的材料稱為形狀記憶材料，它包括形狀記憶合金、記憶陶瓷及形狀記憶聚合物。1.1.3.壓電材料如下圖所示：材料上施加外力引起變形時在材料內產生電場。反之對材料施加外電場時在材料內部產生變形。1.2 智能結構的關鍵技術智能結構的關鍵技術包括傳感器、驅動器、控制器及其集成3。智能結構的仿生學模型如下圖所示：1.2.1 智能傳感器智能傳感器（intelligent sensor），從仿生學來講，相當于智能結構的神經元，是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的

6、能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。一般智能機器人的感覺系統由多個傳感器集合而成，采集的信息需要計算機進行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個優點：通過軟件技術可實現高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化。1.2.2 智能驅動器智能結構中的驅動器從仿生學來講相當于智能結構中的肌肉，它的任務是使智能結構自適應動作，故必須具有較大的肌肉力量，應有較小的滯后效應。目前，常采用形狀記憶合金、壓電材料、電（磁）流變材料及伸縮材料作為驅動器。1.2.3 智能控制器智能結構中的控制器，從仿生學來講，相當于智能結構

7、的神經中樞（大腦）控制對象為結構本身。由于智能節后本身是分布式強耦合的非線性系統，且所處環境具有不確定性及時變性，因此控制器應具有分布式及中央處理方式相協調的特點。對于復雜的事變系統，還應具有一定的魯棒性及在線學習功能。智能結構的控制分為三個層次：一、 局部控制，用加入阻尼或吸收能量來抵消外來干擾；二、 整體控制，如結構整體穩定性控制、形狀確定性控制及擾動抑制等；三、 智能控制，結構可以實現自診斷、自修復、自適應、自學習等功能。2 智能結構發展按現在的觀點，智能結構分為兩大類，智能結構材料，智能空間結構力學。 智能結構首先是從航天領域發起的，在上個世紀60年代到80年代初，美俄在這個領域取得理

8、論與技術上的基礎性突破，在80年代，它逐漸滲透進建筑領域。“智能結構力學”概念在80年代中期橫空出世。 當前“智能結構技術”首先被運用于航天，其次，某些超高層建筑使用其二線技術或三線技術，例如在地震帶重要的一級工程，安裝有精密儀器設備的工業動力廠房，重要的數據庫存貯大樓，重要的甲級醫院，有標志性的一級電視發射塔，一些政府或機關的辦公場所等。 智能結構是1985年出現的，是當前結構設計與結構力學方面正在迅速發展的一種嶄新領域，由于尚在發展過程中，其名稱未完全統一，有的稱為智能結構，有的稱為自適應結構。智能結構就是可以根據外部條件和內部條件主動地改變結構特性以最優地滿足任務需要的結構。外部條件可能

9、包括環境、載荷或已制造出及已在使用中的結構幾何外形。內部條件可能包括對材料或結構的局部區域的破壞、失效的隔離和改變載荷傳輸途徑等。從結構方面，就是把具有特殊力學性能和物理性能的形狀記憶合金、壓電陶瓷、壓電晶體、磁致變體、電致變體及流變體等復合在構件中（或埋在復合材料中），組成構件的受感元件和作動元件，再配上微處理器，便成為智能的材料結構，來自動適應結構的一些特殊要求。2.1發展現狀 國外對智能結構的研究和應用非常重視，因為智能結構不僅可以解決當前工程上一些難于解決的實際問題，而且被認為是21世紀的主要材料結構，同時這方面的研究還將推動許多學科和技術的發展4。美國、日本、英國、加拿大、臺灣等都積

10、極開展了智能航天結構的研究。 在日本，政府給予大力支持，撥巨額專款來從事這方面的研究。由6個研究所和16個學術團體發起，于1989年3月在日本召開了國際性的智能材料結構學術會議。 1995年美國白宮科技廳所列出的美國關鍵技術中，智能結構也是其中之一。在美國進行的智能航天結構應用研究: 主要有以下幾項：1.噴氣推進實驗室（JPL）的精密干涉儀定位試驗，支承干涉儀的衍架結構中，部分構件采用智能梁桿，使干涉儀的相對位置的改變量控制在10-8m之內。2.JPL的直徑為3.8m的反射器試驗，在6條均勻分布的半徑線上采用智能桁架結構，成功地進行了形狀控制試驗，反射角度的變化小于0.01。3.MIT的6根3

11、.5m桁架形成的一個四面體精度試驗，試驗中受到外界干擾時，各個角點的相對位置控制精確，四面體形狀完全不變。4.JPL的噪聲智能控制試驗中，試件為直徑3.6m的復合材料圓柱艙體，局部復合了智能材料結構，在172Hz下，測得噪聲降低了12dB 5.1993年12月發射的取代“哈勃”望遠鏡WFPC的WFPC-2采用了一個智能關節狀的折疊鏡，消除了振動、熱擾動及太空環境對靜態定位角的影響，滿足了望遠鏡的光學精度要求。6.1994年發射的“克萊門汀”號月球探測器采用智能材料(SMA)的智能分離機構，在 軌運行中結果理想。總起來看，國外對智能結構的研究應用十分活躍，并且有如下的幾個特點： 1.十分重視對基

12、本規律、特性、機理以及模擬計算方法等的研究，并且認為這是推進智能結構發展的關鍵。2.基礎研究與工程實際應用問題相結合，而且兩者平行地進行，這個研究特點可以說自從智能材料興起和應用于工程上后，就出現了。因為智能材料的基本特性密切依賴于結構設計和力學分析，而具體結構的應用又對基本材料和復合方法提出了許多特殊要求。3.綜合結構力學、控制、材料、計算機及試驗技術等不同學科交叉進行研究。 4.資金的投入方向決定了研究的重點。美國當前主要是圍繞航天器的實際問題來開展研究的，并且規定了外國人不能參加，這當然是屬于先進的尖端技術之列。2.2智能結構在航天領域的應用 2.2.1形狀控制 智能空間結構在發射段及主

13、動飛行段主動改變形狀，以適應發射結構外形包絡面的限制，在外層空間主動改變形狀 ，以適應姿態要求，或者主動補償溫差引起的結構變形及結構長時間工作后的形狀變化，從而提高空間結構的定位精度5。用SMA材料可以設計太陽電池陣的連接轉動系統，記憶形狀為在空間的太陽陣展開后的正常運行狀態，用其代替常規的展開驅動機構，可以減少展開過程引起的沖擊，提高系統的可靠性，并大幅度地減輕驅動機構的質量。2.2.2.損傷探測與修復空間結構的可靠性、安全行和使用壽命是必須保證的最重要的技術要求，關鍵結構用智能結構代替，就可以更好地滿足這些要求。 飛船的外部艙壁的重要部位設計成智能結構，可以自動探測在正常運行期間結構長時間

14、的疲勞破壞、疲勞裂紋及空間廢棄物的撞擊損傷，并主動進行控制和修復，大幅度地提高安全性和可靠性。2.2.3.振動控制空間飛行器的各個部件及整體結構，其最低頻率都有一個嚴格的下限，以避免外界的低頻激勵引起的強烈耦合振動。有時，空間結構的設計方案已經進行到試驗階段時，因為第一階模態頻率偏低而全部失敗。考慮到空間結構大量采用復合材料板殼結構這一特點，用智能復合材料結構代替常規復合材料的主承力結構，就可以在不改變原有的比較成熟結構方案的情況下，主動地改變結構的模態頻率，從而解決最低頻率偏低的問題。在外層空間，空間結構的阻尼小。展開機構展開后引起振動，或者其它外部激勵引起結構振動時，振動就很難消除，在展開

15、驅動機構中復合流變體，可以主動改變結構的剛度和阻尼，從而改變了結構的模態頻率和衰減了振動的幅度，使振動得到有效抑制。2.2.4.分離機構 空間結構的連接分離機構目前大多利用火工品螺栓，這就存在火焰沖擊波和污染的問題，星箭所載儀器受損的概率高，尤其是只能一次性使用，在地面無法進行重復試驗以考核其可靠性。利用SMA的記憶特性能夠解決這些問題，并減輕質量。火箭頭錐整流罩智能分離機構，用SMA彈簧壓制成強制式螺栓，分離時通脈沖電流， 彈簧迅速恢復到地面所記憶的伸展狀態，使連接的結構分離。2.3新的控制方法的研究由于智能結構系統維數高, 含有未建模動態特性及參數不確定性等, 研究面向低階魯棒控制器設計的

16、辨識方法及模型簡化技術等問題是具有實際意義的。一些較新的魯棒控制器設計方法。如魯棒變結構控制等在含有不確定性結構控制中的應用,另外研究基于某類特殊結構的振動控制機理與魯棒控制算法等都是有很強的工程應用前景的問題。2.3.1新型的智能復合材料的研發目前影響智能結構實用研究發展的重要問題之一是所經常采用的壓電材料、磁致伸縮材料等均存在諸如響應速度不夠快、嚴重非線性等問題。因此智能復合材料結構的制作是一項困難而又急待解決的問題。有待于開發出能耗低、應變大、頻帶寬、力學性能優越、穩定性和壽命高的新型智能材料。2.3.2系統集成技術的研究目前,大多數智能結構僅具有傳感功能，其處理和控制功能還需外接，往往

17、是一個包含眾多功放、濾波、A /D、D/A等的龐大系統,這對于實際的應用而言是不便的。因此開發高精度的傳感器以及研究有效的信號采集和處理技術也顯得至關重要。2.3.3傳感器/致動器優化的研究傳感器和致動器優化配置的研究也是目前急需解決的問題。未來的研究將主要集中在傳感器和致動器的數量、 位置與厚度上。在結構系統設計階段就考慮控制增益、傳感器與致動器位置的優化問題，實現結構與控制系統的一體化設計，是一個值得研究的課題。3 智能結構舉例應用通過以上的現狀分析與高端的研究成果展示，表明智能結構已經得到了不少的應用，為了更好闡明智能結構現將目前應用較為成熟的做詳細闡述。3.1 自適應機翼自適應機翼不再

18、采用傳統的鉸鏈與舵面結構，而是依靠機翼內部的驅動器實現整個機翼的轉動如圖（a）或局部機翼的變形（圖（b）（c），從而改變機翼的攻角和翼型。和常規的操縱面相比，自適應機翼結構形式簡單，疲勞強度高，在減輕質量、提高飛機的機動性、降低臨界載荷、改善雷達散射截面以及增升阻力等方面有著較大的優勢和潛力。3.2 碳纖維混凝土溫度自診斷自適應結構 由于碳纖維混凝土具有熱敏性，因此把它“植入”混凝土結構時，既可以對混凝土結構進行溫度分布診斷，又根據診斷結果實現混凝土結構的溫度自適應。圖 是碳纖維混凝土溫度自診斷、自適應的試驗系統。當此系統啟動時，碳纖維混凝土執行器的溫度由輸出得電壓信號經轉換器輸入到單片機進行

19、信息處理，并判斷是否到控制溫度。再由此自適應決定是啟動還是關閉碳纖維混凝土執行器兩端的電源，以使其溫度保持定值。在國外，自診斷自適應碳纖維溫敏混凝土已被應用于機場道路及橋梁路面的自適應融雪和融冰上，取得了很好的效果。3.3 微型機器人 傳統的機器人是機械電子一體化的典型代表，使用的是常規驅動方法（如馬達、液壓），結構復雜，體積龐大。形狀記憶合金開創了材料電子一體化的機器人，使得機器人結構大大簡化。彈簧能夠將齒輪的功能和驅動馬達與控制系統的傳遞結合起來，在反饋控制系統中，相變時產生的電阻變化可以用做驅動器和位置檢測器，起到感知、驅動和傳遞作用，這使得超小型化和集成化成為可能。 從控制角度看，直接

20、通電流加熱是驅動形狀記憶合金的最好方法。電流可采用模擬控制或數字控制，實際上多采用脈沖電流控制脈沖寬度方式以及控制脈沖比特編碼的方式。器件的反應速度主要由冷卻速度控制，加大電流強度很容易在加熱過程中獲得快速動作，而冷卻只受表面熱傳導的影響，所以通常只采取一些措施以提高冷卻速度。比如增加比表面積（如細絲或落帶）或附上吸熱材料（如硅膠或銅）。 上圖為具有肩、肘、臂、腕、指等5個自由度的微型機器人的結構示意圖。手指和手腕靠線圈的收縮、肘和肩靠線狀的伸縮分別實現開閉和屈伸動作。每個元件由微型計算機控制，通過由脈沖寬度控制的電流調節位置和動作速度。由于很細（0.2mm）因而動作快。實體模型圖模型示意圖 記憶合金在機器人上得另一應用是行走。他由兩根記憶合金和相應的偏執彈簧組成，利用記憶合金的伸長與收縮而達到行走的目的。加熱時，記憶合金變長，使前爪向前伸出（后爪不能后退），與此同時，重心移至前爪，冷卻時，記憶合金收縮，將后爪向前移動一步。這種裝置有六條腿，步行中增加了穩定性。將合金受熱和冷卻與計算機結合起來，可以精確控制行走的步幅。 上圖可用于海床檢測并能獨立行走模仿螃蟹設計的機器人。因為螃蟹很適于陸地和海底爬行。借助電流加熱，依靠周圍海水冷卻，控制脈沖電流就能使機器人在海底平滑的移動。4 展望近幾年來，國內外