智能结构与智能机构

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1、学习内容名称智能结构与智能机构智能结构与智能机构摘要：智能结构是一种仿生结构体系。通过总结当前的研宄现状，结合具体实例，得到智能结构的关键技术和发展前景。1.智能结构与智能机构简介智能结构可以定义成一种仿生结构体系,它集主结构、传感器、控制器及驱动器于一体，具有结构健康自诊断、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［11。智能结构也可以定义成：可以根据外部条件和内部条件主动地改变结构特性以最优地满足任务需要的结构。外部条件可能毡括环境、载荷或已制造出及已在使用中的结构几何外形。内部条件可能包括对材料或结构的局部区域的破坏、失

2、效的隔离和改变载荷传输途径等。智能机构指由两个或两个以上构件通过活动联接形成的智能构件系统。1.1智能材料(intelligentmaterial)智能材料(Intelligentmaterial),是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且木身可执行的新型功能材料［1］。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。一般说来，智能材料有七大功

3、能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。具体来说，智能材料需具备以下闪涵：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电,光，热，应力，应变，化学，核辐射等；(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏，及时和恰当；(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。智能材料又可以称为敏感材料，其英文翻译也有若干种，常用的有Intelligentmaterial,Intelligentmaterialandstructure，Smartmateri

4、al,Smartmaterialandstructure,Adaptivematerialandstructure等。智能材料大体可分为电磁流变体，形状记忆合金［2］。1.1.1电磁流变体在20世纪40年代末期，人们发现在普通的流体中掺入适当的磁性悬浮物。就成为电磁流变体。当外加磁场作用在这种流体上时，由于悬浮物磁向与外磁场一致，就大大约束Y流体的运动，整个流体呈现固体化的性质。而且反应之快，是在短于微妙级的时间间隔内完成的。悬浮物为磁性体时称为磁流变体(MR),而悬浮物是电介质时称为电流变体(ER)。1.1.2.形状记忆材料材料在外力作用下发生残余变形后，在温度作用下又

5、会发生逆变形，使材料恢复原状。冷却后再再发生残余变形，再加热，结果还能恢复原状。这种现象称为形状记忆效应(ShapeMemoryEffect)0这种具有形状记忆效应(SME)的材料称为形状记忆材料，它包括形状记忆合金、记忆陶瓷及形状记忆聚合物。1丄3.压电材料如下图所示：材料上施加外力引起变形时在材料内产生电场。反之对材料施加外电场时在材料内部产生变形。+■+•+■■•-+-4-++----¥++■•••+■+++++++++十+++++++4-++Force++++++++十+一■——++十++++++++++—+++<)Impressedvoltapc1.2智能结构的

6、关键技术智能结构的关键技术包括传感器、驱动器、控制器及其集成［31。智能结构的仿生学模型如下图所示:反馈1.2.1智能传感器智能传感器（intelligentsensor）,从仿生学来讲，相当于智能结构的神经元，是具奋信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具奋采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成，采集的信息需要计算机进行处理，而使用智能传感器就可将信息分散处理，从而降低成本。与一般传感器和比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力

7、；功能多样化。1.2.2智能驱动器智能结构中的驱动器从仿生学来讲相当于智能结构中的肌肉，它的任务是使智能结构自适应动作，故必须具有较大的肌肉力量，应有较小的滞后效应。目前,常采用形状记忆合金、压电材料、电（磁）流变材料及伸缩材料作为驱动器。1.2.3智能控制器智能结构屮的控制器，从仿生学来讲，相当于智能结构的神经屮枢（大脑）控制对象为结构木身。由于智能节后木身是分布式强耦合的非线性系统，且所处环境具有不确定性及时变性，因此控制器应具有分布式及中央处理方式相协调的特点。对于复杂的事变系统，还应具有一定的鲁棒性及在线学习功能。智能