第1章 绪论
1.1 智能结构
智能结构是指包含集成于母体结构中的传感、驱动系统的主动结构，能够自主对外界或内部变化的具体特征进行判断、辨识，并自动采取*优控制方法的结构。如图1.1所示，广义的智能结构可分为以下几个层次：*简单的形式是在结构中添加传感器与作动器，具备简单的在线监测功能（可应结构）或按预置算法改变物理状态（自适应结构），可称为智能结构的雏形；将传感器和作动器结合，形成能主动控制结构特性的闭环反馈系统，称为受控结构；随着微电子技术与集成技术的发展，将传感器、作动器嵌入母体结构，实现控制结构高度集成和一体化，称为主动结构；智能结构的*高层次是具备在线学习和智能逻辑判断能力，让产品具有自感知、自监测，乃至自诊断、自修复的功能，实现产品对复杂环境和恶劣工况的自适应，极大地提高相关设备或装备的可靠性、安全性和环境适应性，并降低被动防护或强化设计的成本[1]。
图1.1 智能结构层次[1]
如图1.2所示，智能结构同时包含传感器、作动器和控制器三个要素，具备自主辨识和分布控制功能[1]。传感器能够实时传递各个关注点的应力、应变、加速度、温湿度等物理信号，并将之转化为控制器能够辨识的数字信号；控制器根据传感信息和预置的控制算法，向作动器发出动作指令，使其对外界和内部的状态变化做出合理的反应，以保障母体结构的基本功能。
图1.2 智能结构工作原理图[1]
航空航天工程研究需求推动了智能结构的研究和发展：一是大型柔性太空结构形状与振动控制；二是飞机结构自主状态检测诊断。特别是为了提高飞机的耐久性，保证其刚强度和安全性要求，美国军方在20世纪70年代末就提出了飞机完整性计划（Aircraft Structural Integrity Program，ASIP），第一次将结构状态监测系统引入实践。目前，智能结构已经在飞机、轨道交通、桥梁建筑等领域广泛应用，并逐渐向工程机械装备、复杂机电装备等领域扩展。同时，随着新型智能材料的开发及现代控制理论和微电子技术的进步，智能结构在集成化、智能化、网络化方面均有不同程度的进展，进一步提高了其应用价值。智能结构应用大部分仍局限在受控结构或主动结构的层次，智能结构的*高层次还很少应用，但随着人工智能、物联网、大数据等技术的发展，具备自主学习和矫正能力的智能结构将越来越多地进入实际应用。
智能结构的研究可以概括为三大关键技术方向：一是智能材料的开发，包括传感材料和致动材料，这是智能结构研究的基础，高灵敏度、高线性度、大频宽的材料能够大幅简化系统设计，提高智能结构性能；二是智能结构控制方法的研究，将智能材料对外界物理变化的感知、相应的控制策略以及作动能力结合，才能满足智能结构自诊断、自修复、自适应的要求；三是智能材料的集成技术，主要是通过内埋或表面黏接等封装方式实现构件与传感/致动的一体化，并充分考虑智能集成结构的可靠性、环境适应性开展针对性设计，实现智能结构的工程化应用。
1.1.1 智能材料
智能材料是研究智能结构的基础。根据其在工作时发挥作用的不同，可以分为两大类[2]：一类是能把外界物理量变化转化为可检测的光电信号的材料，可以用来制成传感器以感知外界环境以及自身工作状态的变化，如光纤应变传感器；另一类是能在信号驱动下产生合适的变形、温变、刚度变化等响应的材料，如电致伸缩材料、磁致伸缩材料等，该类材料常用于作动器。压电材料既可做传感器，也可做作动器，是应用*广泛的一种智能材料。
1. 压电材料
压电材料是能实现机械能-电能转换的智能材料。正/逆压电效应反映的是一种机电耦合效应，基于这两种效应，机械能和电能可以相互转换，如图1.3所示[2]。利用正压电效应，压电材料可用作传感器；利用逆压电效应，压电材料可用作作动器。
图1.3 压电效应[2]
压电材料可分为压电晶体、压电聚合物和压电陶瓷三种，其优缺点和具体应用如表1.1所示[2]。
表1.1 压电材料优缺点和具体应用[2]
注：聚偏氟乙烯（poly（vinylidene fluoride），PVDF）；锆钛酸铅（Pb（Zr11xTix）O3，PZT）。
2. 光纤应变传感器
与传统的电测类传感材料相比，光纤应变传感器具有体积小、质量轻、精度高、抗电磁干扰等优点，在土木工程等领域的结构监测中得到广泛应用。根据测量原理的不同，光纤应变传感器可以分为光强测量式和干涉测量式两种。由于干涉测量式光纤损耗小、精度高，理论上仅需要一根光纤就能完成检测任务，因此其应用潜力*大。现有四种*具潜质的干涉测量式光纤传感器可用于智能结构，它们是Fabry-Perot光纤传感器、双模光纤传感器、偏振光纤传感器和光纤光栅传感器。前三种均是基于光的双路干涉现象的不同应用。如图1.4（a）所示[3]，Fabry-Perot光纤传感器是利用两面互相平行且垂直于光纤轴线的镜子构成传感区域，当固定在基准上的镜端随主体结构产生位移时，空腔波模频率随即改变。这种传感器常用于温度、应变以及复合材料中的超声压力等领域。如图1.4（b）所示，双模光纤传感器是将单模光纤劈开，使导入光纤和导出光纤产生位移，激活横向模量。当基体产生应变时，横向光分布就会发生非线性变化。偏振光纤传感器结构与Fabry-Perot光纤传感器类似，也采用镜化末端进行测量，但这种传感器需要使用特殊的偏振保持光纤，依靠单模光纤中光的偏振态变化来测量基体应变。
图1.4 光纤传感器结构示意图[3]
光纤光栅传感器的原理如图1.5所示，光纤内部嵌入的光栅是一种周期调制结构，当宽谱光在光栅中传播时，仅有特定波长的光才能被反射。当基体结构发生变形时，光栅栅距、纤体折射率等随之变化，导致光栅反射的波长产生漂移。通过检测这种波长漂移，就可以获得待测应变。光纤光栅对应变的传感特性系数基本上是与材料特性相关的常数，从而保证了传感器具有良好的线性输出。此外，光纤光栅传感器生产费用低、可靠性高，其材料与几何特性可兼容多种诊断应用，且可将大量传感器串联集成在一根光纤上，易于在复杂结构中布置广域分布的传感器阵列。因此，光纤光栅传感器在智能结构中应用的潜力*大。
图1.5 光纤光栅传感器原理示意图
3. 形状记忆材料
形状记忆材料是指具有一定初始形状的材料经变形并固化成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的一种材料，可集传感机构、驱动机构和执行机构为一体，成为智能材料的重要组成部分。形状记忆材料主要包括形状记忆合金和形状记忆高分子材料。
形状记忆合金抗疲劳性能和延展性能优异，并且在高温环境下，其性能相对普通合金更好。在航空等领域，形状记忆合金已进入工程应用，如波音公司在777-300ER飞机发动机上采用形状记忆合金来降低引擎噪声，如图1.6所示。
图1.6 波音777-300ER飞机发动机利用形状记忆合金降噪
形状记忆高分子材料有可恢复率高、质量轻、加工成本低、耐腐蚀等优于形状记忆合金的特点，常用于变型机翼蒙皮材料。
4. 电致伸缩材料
电致伸缩材料一般为多晶材料，材料中的部分电畴在外电场作用下，感应极化作用会发生转动，进而导致材料的伸长或缩短。与压电材料相比，电致伸缩材料具有很小的迟滞损失，电致伸缩作动器的迟滞损失在2%以内，而压电作动器的迟滞损失可高达15%。同时其*大的一个优点表现为在同样的电压驱动下，可以获得更大的位移伸长量，而在压力作用下特性参数变化较小[4]。因此，电致伸缩材料在航空航天、人工肌肉、仿生机器人等方面有广泛的应用。
5. 磁致伸缩材料
磁致伸缩材料是实现机械能-磁能转换的智能材料，以磁致伸缩材料为基础的传感器具有分辨率高、体积小、伸缩系数大、机电耦合系数大、承受压力大等优点。基于以上优点，磁致伸缩材料在声学、微控制、减振等领域应用广泛，特别可用于制造智能结构中的驱动器，如图1.7所示[4]。
图1.7 磁致伸缩作动器[4]
6. 电流变体
电流变体可以在电流驱动下，改变其自身的剪切强度，实现液固之间连续、迅速、可逆的转变，具有明显的电流变效应。其响应时间短，过程可控且易于调节，是一种新型的智能材料，在主动减振、作动执行等方面具有广泛的应用价值。图1.8为基于电流变体的阻尼器。
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