智能结构及智能机构

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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。通过总结当前的研究现状，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[1]。

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。外部条件可能包括环境、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（intelligent material）

智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本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内涵：

(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Intelligent material，Intelligent material and structure，Smart material，Smart material and structure，Adaptive material and structure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，就大大约束了流体的运动，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（Shape Memory Effect）。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。

1.1.3.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。

1.2 智能结构的关键技术

智能结构的关键技术包括传感器、驱动器、控制器及其集成[3]。智能结构的仿生学模型如下图所示：

1.2.1 智能传感器

智能传感器（intelligent sensor），从仿生学来讲，相当于智能结构的神经元，是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、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。与一般传感器相比，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；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

智能结构中的控制器，从仿生学来讲，相当于智能结构的神经中枢（大脑）控制对象为结构本身。由于智能节后本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。

智能结构的控制分为三个层次：

一、局部控制，用加入阻尼或吸收能量来抵消外来干扰；

二、整体控制，如结构整体稳定性控制、形状确定性控制及扰动抑制等；

三、智能控制，结构可以实现自诊断、自修复、自适应、自学习等功能。

2 智能结构发展

按现在的观点，智能结构分为两大类，智能结构材料，智能空间结构力学。

智能结构首先是从航天领域发起的，在上个世纪60年代到80年代初，美俄在这个领域取得理论与技术上的基础性突破，在80年代，它逐渐渗透进建筑领域。“智能结构力学”概念在80年代中期横空出世。

当前“智能结构技术”首先被运用于航天，其次，某些超高层建筑使用其二线技术或三线技术，例如在地震带重要的一级工程，安装有精密仪器设备的工业动力厂房，重要的数据库存贮大楼，重要的甲级医院，有标志性的一级电视发射塔，一些政府或机关的办公场所等。

智能结构是1985年出现的，是当前结构设计与结构力学方面正在迅速发展的一种崭新领域，由于尚在发展过程中，其名称未完全统一，有的称为智能结构，有的称为自适应结构。智能结构就是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。外部条件可能包括环境、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、失效的隔离和改变载荷传输途径等。从结构方面，就是把具有特殊力学性能和物理性能的形状记忆合金、压电陶瓷、压电晶体、磁致变体、电致变体及流变体等复合在构件中（或埋在复合材料中），组成构件的受感元件和作动元件，再配上微处理器，便成为智能的材料结构，来自动适应结构的一些特殊要求。

2.1发展现状