智能结构题目及答案

一、简答题1.试解释什么叫智能材料结构，从仿生的角度，智能结构的相应单元相当生物体的什么单元？智能材料：是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的含智能特征的材料。

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,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智能功能,在危险发生时能自己保护自己。

相应单元：通常智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器构成。

基体材料：骨骼。

（主要起承载作用）敏感材料：神经元（敏感材料主要起感知环境变化(包括温度、压力、应力、电磁场、和酸碱度等) 的作用。

如形状记忆材料、压电材料、光纤、磁致伸缩材料、pH 致伸缩材料、电致变色材料、电致粘流体、磁致粘流体和液晶材料等）；驱动材料：肌肉。

（驱动材料在一定条件下可产生较大的应变和应力,从而起到响应和控制的作用。

最有效的如形状记忆材料、压电材料、电致流变体和磁致伸缩材料等。

可见它们既是驱动材料又是敏感材料,通过恰当的设计,一种材料可同时起两个组元的作用。

）信息处理器：大脑。

2.试述和传统材料与结构设计相比，智能材料与结构设计的特点？智能材料（Intelligent material）是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的含智能特征的材料。

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。

智能材料结构的核心思想是将传感元件、驱动元件、控制元件与主体结构材料集成为一个整体，通过机械、热、光、电、磁等作用，提取结构信息，经过处理后形成控制激励，改变结构的形状、运动状态、受力状态等。

这使得结构不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测；具有主动改变材料中的应力分布、强度、刚度等多种功能；从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复等能力。

3.试举例说明几种常见的智能结构的组成及其基本功能智能旋翼：由桨毂、柔性梁与桨叶固连，同时在柔性梁中植入传感、驱动系统，结合外围装置，从而实现对旋翼系统的扭转以及振动的主动控制。

自适应机翼：依靠与机翼结构相融合的传感器（光纤传感器）和驱动器（压电传感器）改变翼型参数或流场参数，使飞机获得最佳气动特性，从而机动性更强。

输油管道结构健康监测系统：使用智能材料制成集成化、小型化传感器，通过检测技术、传感网络实现特征提取，实现远程监控。

4.与普通直升机旋翼相比，智能旋翼有什么特点和优势？智能旋翼有哪几种主要的驱动方式？普通直升机上存在减振频带窄、低频特性差、结构重量代价高等被动式抑振技术的固有缺陷，而智能旋翼利用压电材料和磁致伸缩材料的重量轻、体积小、对外输入响应速度快等优点实现了对旋翼系统的振动主动控制，同时他还使用集流环实现电能、控制信号的非接触式传输驱动方式主要分为①桨叶俯仰控制;②桨叶扭转控制;③桨叶翼型剖面弯度控制;④桨叶主动附翼控制。

5.试述与传统固定翼机翼相比自适应机翼结构上的不同和优点。

传统固定翼机翼只能通过舵面实现飞机的俯仰、滚转、偏航，他的机翼外形和表面流场不能改变；自适应机翼通常有2种形式1、流动控制自适应机翼（主动流场控制）2、改变机翼几何构形的自适应机翼，如可变前后缘的保形控制面（前后缘连续光滑变化）、机翼盒段扭转、改变机翼展弦比（如变后掠翼、无人机伸缩翼等）优点：依靠与机翼结构相融合的传感器（光纤传感器）和驱动器（压电传感器）改变翼型参数或流场参数，使飞机获得最佳气动特性，从而机动性更强。

6.试述一个结构健康监测系统的基本组成，并解释什么是强度自诊断、自适应系统。

输油管道结构健康监测系统：传感器系统→数据采集系统→数据传输和存储系统→系统识别→结构模型更新→→结构状况评估→结构寿命评估。

通过使用传感、驱动材料等智能材料，从而实现诊断材料缺陷、预报疲劳寿命、诊断结构损伤、抑制损伤扩展等功能的系统叫做强度自诊断、自适应系统。

7.试述减振降噪智能结构的基本组成，并解释振动被动控制、主动控制和半主动控制的基本概念以及其适应哪些场合以及有何优缺点。

减振降噪技能结构集传感、驱动、结构、控制为一体，基本组成如下：信号源（压电传感器）→电荷放大器→A/DComputer压电驱动器←高压功率放大器←D\A被动控制：不需要外部输入能量，而是通过控制装置来改变结构阻尼、刚度或质量，从实现振动被动控制。

主动控制：有传感器、驱动器以及CPU组成，传感器用来检测外部激励或结构响应，驱动设备根据计算机指令产生需要的控制力并施加给被控结构。

半主动控制：处于前两者之间，根据结构的振动反应或动载荷信息，实现改变结构的参数（阻尼、刚度等），来减小结构振动的响应。

优缺点被动控制：不需要输入外界能量、设备简单、易于实现，但控制范围窄，不能满足实时控制和高精度的控制要求。

主动控制：控制范围宽，能满足实时控制和高精度的控制要求，但结构复杂，需要外部输入能量。

半主动控制：不需要直接向结构施加控制力，所需输入能量很小，却能达到主动控制的效果，因而经济、实用、高效。

8.什么是环境能量收集系统，有哪些主要类型？环境能量收集系统是指将自然界广泛存在的各种环境能量，包括太阳能、风能、热能、振动能、海洋能，以及其他能量如人体动能、雨滴能量、生化能等，利用各种新型换能材料、结构或系统，将其转化为电能并存储和利用的系统。

包括太阳能采集系统、风能采集系统、热能采集系统、振动能采集系统、海洋能采集系统、振动能量采集系统、其他能量采集系统（人体运动能、雨滴能、电波辐射能、生物质能等）。

9.压电材料主要包括哪些类型？与磁致伸缩材料相比有何优缺点？压电材料可分为无机压电材料和有机压电材料。

压电单晶（无机压电材料）压电陶瓷（无机压电材料）压电聚合物（有机压电材料）压电材料：无论作为传感器还是驱动器都应用较广，体积很小，可以加工成任意形状，但是驱动电压较高，承受压应力较小。

磁致伸缩材料：伸缩应变量大，可以承受很大的压应力，同时驱动电压较低，但是体积较大作为传感器应用面很窄。

10.什么是压电方程？智能结构中用到的压电材料有什么主要优缺点？压电方程：压电材料的压电性涉及到力学和电学之间的相互作用，压电方程就是描述晶体的力学量和电学量之间的相互关系的表达式。

压电材料可分为无机压电材料和有机压电材料。

在智能结构中，压电材料除具有承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，故在未来的飞行器设计中占有重要的地位。

压电单晶（无机压电材料）优点：稳定性很高，机械品质因子高。

缺点：压电性弱，介电常数很低，存在尺寸局限。

压电陶瓷（无机压电材料）优点：压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状、价格便宜。

缺点：机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，对高频、高稳定应用不理想。

压电聚合物（有机压电材料）优点：材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电常数缺点：压电应变常数（d）偏低，需极高的极化电场。

11.试解释磁致伸缩现象及其基本原理磁致伸缩现象：铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。

基本原理：在磁场作用下，磁畴发生旋转，他们方向趋向于一致，磁畴的形变也趋向于一致，在宏观上出现磁致伸缩应变。

12.电活性聚合物(EAP)分为哪两大类？IPMC属于其中的哪一类？IPMC有什么优缺点？电子型和离子型IPMC属于离子型ion-exchange polymer metal composite(离子交换聚合金属材料)。

优点：(1)寿命较长，响应速度快；(2)体积小，质量轻；(3)驱动电压低；(4)类似于生物肌肉比例恒定的特性，适用于微型装置；(5)无噪声，环保；(6)可以微型化发展。

缺点：输出力小，离水工作时间短，样品易被污染，刚度小。

13.智能材料结构中对传感元件和驱动元件的基本要求是什么？（1）传感元件：稳定性高、成本低、易于和基体材料结合的传感器和传感网络。

（2）驱动元件：1.能和结构基体材料很好结合，具有高的结合强度；2.本身的静强度和疲劳强度要高；3.激励驱动元件动作的方法要简单和安全，对结构基体材料无影响，激励的能量要小；4.激励后的变形量要大，能够控制；5.驱动元件在反复激励下，保持性能稳定；6.驱动元件的频率响应要宽，响应速度快，并能控制14.试述什么是形状记忆效应？举例说明SMA的一个应用例子形状记忆效应：材料在外界温度变化的条件下可以改变自身形状并具有可逆变化的现象。

应用：利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过"记忆"功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。

15.试述压电常数d33和d31的意义。

将压电片粘贴在悬臂梁上使梁产生弯曲变形是利用的哪个压电常数？又压电堆驱动器利用的是哪个常数？d33是极化方向与外力方向相同的压电系数d31是极化方向与外力方向垂直的压电系数将压电片粘贴在悬臂梁上使梁产生弯曲变形是利用的d31压电常数压电堆驱动器利用的是d33压电常数16.试述电流变现象以及电流变体用于半主动控制的基本原理方案在没有外加电场时,电流变液可以像水或油等普通液体那样自由流动,基本上是一种牛顿流体。

当外加电场强度达到一定值时,电流变液的力学性能将发生明显的变化,液体粘度增大并逐渐缺乏流动性,抗剪切能力增强,由液态迅速向类固态转化,而且这种转化是完全可逆的,撤去电场之后又迅速恢复为液态。

电流变液减振器，工作时, 其阻力由液体流动时的粘性阻尼力和电流变效应产生的阻尼力两部分组成。

通过调节施加于电流变液体的电场强度可调节电流变液减振器所产生的阻尼，实现阻力的控制。

17.试述智能结构中的测控系统的基本组成，其组成中的各个部分具有什么功能？测控系统的基本组成：前向通道，后向通道，控制器前向通道：用于数据的采集后向通道：用于控制驱动控制器：数据分析与处理，控制逻辑与算法以及实现控制的功能。

18.小波变换与傅立叶变换各有什么优缺点？在对频率分辨率要求高而对时间分辨率没有要求的场合，应该使用哪种变换？小波变换优点：可以覆盖整个频域；通过选取合适的滤波器，可以极大的减小或去除所提取得不同特征之间的相关性；具有“变焦”特性；有快速算法。

缺点：在不同尺度上得到的逼近信号特征之间存在差异，降噪预处理时的重构信号会丢失原有的时域特征，小波函数不易选择。

傅立叶变换优点：将信号由时域转为频域，能很好地刻画信号的频率特性，适用于确定性的平稳信号缺点：没有局部化分析信号的功能，不能在提供频率信息的同时提供时间信息。

无法处理非平稳信号在对频率分辨率要求高而对时间分辨率没有要求的场合，应该使用小波变换。