机敏材料与智能结构.ppt

机敏材料与智能结构 上海大学机自学院 研究现状与发展趋势 主要内容 智能材料的概念智能材料所涉及的技术内容研究现状应用前景未来研究方向 一 智能材料的概念 智能材料 的概念是由日本高木俊宜教授于1989年最先提出来的 其后 智能材料的研究引起各国科学家和有关工程技术人员的兴趣 并在世界范围内蓬勃展开 1992年在日本召开了第一届国际智能材料会议智能材料结构又称机敏结构 Smart IntelligentMaterialsandStructure 泛指将传感器和驱动器以及有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中 通过机 热 光 化 电 磁等激励和控制 不仅具有承受载荷的能力 而且具有识别 分析 处理及控制等多种功能 能进行自诊断 自适应 自学习 自修理的材料结构 机敏材料 smartmaterials 是美国的Neunham RE教授提出的概念 我国学者将其译为机敏材料或灵巧材料 实例 最简单在复合材料结构中埋入光纤敏感元件 形状记忆合金和控制电路 光纤为传感元件 控制电路指挥记忆合金 结构变化适应变化 中国国家高技术新技术领域专家委员会在1998年3月发布的 新材料领域战略研究报告 中对智能材料作了如下的定义 智能材料指的是那些对使用环境敏感而且能对环境变化作出灵活反应的材料 更确切地说 智能材料是一类集传感 控制 驱动 执行 等功能于一体的机敏或智能材料一结构系统 它能适时地感知与响应外界环境的变化 实现自检测 自诊断 自修复 自适应等多种功能 机敏材料和智能材料的区别 机敏材料 smartmaterials 和智能材料 intelligentmaterials 的关系如何呢 据认为 smart 和 intelligent 两词在反映聪明程度上是有很大差别的 后者比前者要高一个数量级 姚康德先生指出 机敏 灵巧 材料只能进行简单的线性响应 而智能材料则能根据环境条件的变化程度实现非线性的响应 藉此可认为 机敏材料是智能材料的 低级层次 或者说是智能材料发展的 初级阶段 我国材料科学家师昌绪先生称 机敏材料再加上控制功能便成为智能材料了 智能材料的分类 1 将传感器集成在材料中构成被动机敏结构 能够监测自身的状态 损伤 变形 振动 2 在被动机敏结构中集成驱动器就形成主动机敏结构 不仅能够感知 还能够修正自身满足多种要求 3 主动机敏结构中引入以神经网络为基础的自学习系统 构成智能材料系统 具有广泛的适应性 学习经验等 二 智能材料所涉及的技术内容 1 主要包括学科 传感技术微电子学驱动器控制人工智能材料学控制技术结构工程MEMS等2 研究内容 材料研究 基体 智能 传感技术 感知材料 执行元件技术控制技术学习和自适应技术 基础智能材料的研究 1形状记忆基础智能材料 2压电基础智能材料 3电 磁流变液基础智能材料 4磁致伸缩基础智能材料 5智能凝胶材料 6聚合物基 人工肌肉 7自组装基础智能材料 8光纤基础智能材料 材料研究内容 基体材料研究 复合材料 新型材料 综合性能高以金属材料为主的结构材料的研究占主导地位功能材料要求电性磁性超导性膨胀性弹性绝缘性光学性等智能材料以及仿生功能引入材料 几种重要的传感材料 形状记忆合金 pDCH聚合光纤 三 研究现状 国外研究现状美国1997年 智能结构被列为 基础研究计划 的六项战略研究任务之一 美国各军种 弹道导弹防御局 BMDO 和美国航空航天局 NASA 以及波音 麦道 TRW和联合机身等大公司都分别制定了研究与发展计划 如弹道导弹防御局的 自适应结构计划 陆军研究局的 智能材料与结构计划 空 海军共同实施的 智能金属结构计划 空军航天实验室的 智能结构蒙皮计划 美国研究 欧洲研究 欧洲智能结构的研究以德 英 法 意为主90年代初英国成立了欧洲首家研究机构 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 目前德国正在研究将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 意大利则对飞机发动机进行主动振动控制和降低噪声制定了专门研究计划 其它国家 日本自1984年即着手空间应用的智能结构研究 日本航空宇宙研究所 东京工业大学以及一些大公司都参与了这项工作日本航空航天学会和加拿大Aastra公司也在重点研究空间结构中形状和振动的主动控制问题 发展柔性结构振动自适应控制技术我国从上个世纪90年代末期开始研究 并首先在陶宝褀院士带领下在南航成立智能材料研究室 清华 北大 北航 天津大学 重庆大学 武汉理工等都进行研究 目前还处于理论阶段 国外研究特点 十分重视对基本规律 特性 机理以及模拟计算方法等的研究 并且认为这是推进智能结构发展的关键 基础研究与工程实际应用问题相结合 而且两者平行地进行综合结构力学 控制 材料 计算机及试验技术等不同学科交叉进行研究 资金的投入方向决定了研究的重点 美国当前主要是围绕航天器的实际问题来开展研究的 并且规定了外国人不能参加 这当然是属于先进的尖端技术之列 四 应用前景 军事应用前景广阔智能蒙皮减振降噪自主飞行监控工程应用结构健康监测和寿命预测自诊断智能结构实时测量汽车 船舶 土木工程和医学领域 1 智能结构的军事应用 潜在的军事应用1 智能蒙皮在武器平台的蒙皮中植入传感元件 驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮 可用于预警 隐身和通信 美国弹道导弹防御局正在为导弹预警卫星和天基防御系统空间平台研制含有多种传感器的智能蒙皮 美空军莱特实验室正在进行结构化天线 即把天线与蒙皮结构融合在一起 的研究 演示实验表明 这种天线在气动弹性 信息传输 结构重量与体积方面 都优于同样功能的普通天线 美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮 以提高舰艇的隐身性能2 结构监测和寿命预测自诊断智能结构可在武器的全寿命期内 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 例如 采用光纤传感器阵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 可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 3 减振降噪在航空 航天系统中采用智能结构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 美国防高级研究计划局正在资助波音公司智能结构用于舰艇 可抑制噪声传播 提高潜艇和军舰的声隐身性能 用于地面车辆 可以提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度4 环境自适应结构用智能结构制成的自适应机翼 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 2 在建筑行业的应用 日本研究 武汉理工大学 南京航空航天大学 为了检测光纤混凝土机敏结构的性能 对其进行了试验 光纤传感器用细铁管保护埋入混凝土试件 传感头和保护铁管粘接 混凝土结构中的应变经铁管传递至传感头 3 航空航天领域的应用 1 形状控制2 损伤探测与修复3 振动控制4 分离机构 飞行器上的应用 对飞行器健康状况进行实时监控改善飞行器性能埋置在飞行器蒙皮内的光纤可用于机内数据通讯智能蒙皮相控阵雷达利用光纤做成光纤化学传感器以探测飞行器隐秘处的腐蚀 在无人战斗机中的应用 飞行器结构完整性的实时监测系统自适应结构飞行器智能表层全电动变形驱动无缝光滑表面设计颤振的主动抑制自主导航 4 在其它领域中的应用 用于车内减振降噪的智能材料和结构的研究 五 未来研究方向 1 高模量 高疲劳寿命 大应变的智能材料的研制 2 传感器和致动器数量优化与位置优化列阵的最优数量选择与位置及其优化设计 如结构材料的最佳配置等 3 强鲁棒性的分层最优化智能控制算法 具有容错能力和局部反馈回路的分布式控制器的在线自适应学习算法 4 智能材料的表面处理工艺和自动埋入方法 5 智能结构中传感器与致动器的性能稳定性及其控制算法 智能结构的静动态的响应及其非线性动态过程与稳定性 慢变与时滞过程 的研究 6 更加完善的智能材料与结构间的机电耦合理论模型的建立 7 边界元等方法在智能结构分析中的应用 由多种智能材料构成的网络式智能结构的分析和研究 需要解决的问题 研制低能耗 大应变量 宽频带动作 力学性能好 高稳定和高寿命的致动器材料 研制高稳定 耐温好 低成本 可单线多路复用且与基体易于融合的光纤传感器 研制高性能可植入基体材料中的微型电子器件 进行深入结构的控制方法研究 继续进行集成方法研究 智能材料与结构的设计 制造 数据库 可靠性等研究 智能材料仿生构思 材料1诊断用生物传感器