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智能结构与主动控制;1 引 言;材料成为时代标志的示意图 ;;;2 智能材料和智能结构概论的提出;;1984年,美国陆军科研局就旋翼飞行器技术的研究给予赞助,揭开了智能材料与结构应用研究的序幕;
1985年起,美国政府提出了开展智能结构的研究计划,要求航天器具有自适应性;
1987年起,美国空军将智能结构的研究列如重点资助目录;
1988年后,美国各大学和航天航空机构的公司、研究所均大量展开智能材料与结构的研究工作。;继美国之后,日本、英国、德国、澳大利亚和韩国等相继投入人力、物力、财力开展智能材料结构的研究工作,并创建了《智能材料系统与结构》、《机敏材料与结构》等学术期刊;
1991年,欧洲在英国成立了智能材料与结构研究所
我国于1991年起开展这方面的工作,1993年起,国家自然科学基金和航空基金等将其列入研究计划。;4 智能材料及智能结构概述 ;;;智能结构
;智能结构;(1) 智能结构是以智能材料作为传感元件和作动元件,具有感识外界和内部状态与特性的变化,并能对这些变化的具体特征和原因进行辩识,进而采取相应的控制律,做出合理响应的一类结构称之为智能结构 。
(2) 还具备自诊断,自感识,自修复等额外的“智能”性能 。;;;; 智能材料和结构的发展受到了其它学科强大的支持和帮助,受到了以下学科领域的的推动:
(1) 材料耦合特性分析的研究;
(2) 复合(叠层)材料的研究、设计和制造技术的发展;
(3) 自适应控制、鲁棒控制、容错技术与智能控制技术 的研究和发展;
(4) 计算机和微电子技术的研究和发展。;6.1 传感器
传感器的定义:能感受规定的备测物理量并按照一定的规律转换成为可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
能感知结构状态和环境改变,并且易于集成和分布。;;6.2 作动器
作动器是实施振动主动控制的关键部件,是主动控制系统的重要环节。作动器的作用是按照确定的控制律对控制对象施加控制力。随着振动主动控制技术的发展 ,对作动器的要求愈来愈高。近年来 ,在传统的流体作动、气体作动器和电器作动器的基础上,研究开发出了多种智能型作动器,如压电陶瓷作动器、压电薄膜作动器、电致伸缩作动器、磁致伸缩作动器、形状记忆合金作动器和电流变流体作动器等。这些作动器的出现为实现高精度的振动主动控制提供了必要条件。;;(1) 兼容性要求。传感器和作动器与材料本体结 构的兼容性要好;
(2) 稳定性要求。传感器和作动器工作时性能要稳定可靠,同时抗干扰能力相对要好;
(3) 响应频带要求。传感器和作动器应具有较快的响应速度和较宽的响应频带;
(4) 精度要求。传感器工作时应具有较高的测量精度和灵敏度;
(5) 驱动力要求。作动器工作时应能产生足够大的变形和驱动力,同时具有较小的能量耗损。 ;;;7 几种常用的智能材料 ;形状记忆材料的优缺点
优点:本体材料相容性好;变形量大;加热后驱动力大;可实现多种变形等优点。 SMA驱动器的动作除温度外几乎不受其它环境条件的影响,具有较好地抗外界干扰特性,相对其他智能复合材料在价格、技术成熟性和可植入性等方面也有明显的优势。
缺点为:响应速度慢,只能适合于结构的低频控制;使用时需要较大电流 。;电流变体,
简称ER流体,是一种比较特殊的流体,在外电场的作用下,电流体中的胶质悬浮液迅速地排列成有规律的链条状结构,并平行于电场,从而呈现固体特性,并具有可测量的刚度,同时其屈服剪切应力随电场强度和剪切应变速度的增大而增大,而在撤去外电场后,它又可以在瞬间内恢复到液体状态。
其缺点:在于转换电压太高 ,附加设备多.;; 磁致伸缩材料在磁场作用下会产生磁畴旋转,从而引起材料变形和产生驱动力,将磁能转换为机械能。
目前磁致伸缩材料已用于低频高功率声纳传感器、强力直线型电机、大转矩低速旋转电机和液压机执行器。
优点有:具有位移控制量大;响应速度较快;不存在时间老化问题 。
缺点在于:需要较多的附加线圈、电机和封装等附加设备,易于发生击穿现象 。; 光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制成的光导元件。通过分析光的传播特性(光强、相位等)获得光纤周围的力、温度、位移、压强、密度、磁场、成分和X射线等参数的变化。
光导纤维是最先应用于智能结构的传感元件。
优 点:对电磁干扰不敏感;光纤很细,对本体
机构强度影响较小;频率响应高;具有不腐蚀
特性,可在高低温和有害环境下安全工作 。
缺点为:有非线性效应、辅助设备多且复杂、数据处理复杂。;利用压电材料的正压电效应和逆压电效应可将
其用为传感器和作动器。
优 点:重量轻、体积小、能耗低,响应快、刚度大 。
其缺点:与本体材料相容性差,易于在分界面处造成损伤和断裂;易脆易裂,不适于大
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