压电智能结构的实验研究

在复合材料表层铺设压电元件，利用压电元件能够实现力学量和电学量之间相互转化的独特性能，可将其用作传感器和驱动器，赋予材料和结构传感及动作的能力。本研究的压电材料采用锆钛酸铅压电陶瓷，基体材料采用玻璃纤维－环氧树脂复合材料，与外部信号采集和控制系统结合，构成了智能结构实验系统。本文对这一系统的损伤诊断和损伤主动控制功能进行了实验研究。该结构一方面可对冲击、过载等可能造成损伤的原因进行监测，并诊断裂缝、连接松动等损伤的产生和位置，另一方面还可自适应地驱动结构中的压电驱动器，改善结构应力状态，防止损伤的扩展。     

SMART STRUCTURES USING PIEZOELEMENTS FOR ACTIVE VIBRATION AND NOISE SUPPRESSION IN AVIATION AND AEROSPACE

具有减振降噪功能的压电智能结构是智能材料与结构的一个重要分支。在航空航天领域存在一些典型结构，如飞机机舱、空间站、卫星太阳能帆板和通讯天线以及直升机旋翼等，其振动与辐射噪声造成很多不利影响。为了研究这些结构的振动与噪声控制方法，制作了几个实验模型如大型薄壁复合材料圆桶、柔性梁、钢架及旋翼系统模型，通过压电传感器、驱动器布置数量和位置的优化，采用不同的控制算法，在基于个人计算机的测控平台上进行了振动控制实验，取得了明显的减振降噪效果。     

智能材料与结构及其在智能飞行器中的应用

为了满足民用和军事领域对智能飞行器日益增长的需求,在承载、连接等功能的基础上,具有自诊断、自适应、自控制、自修复等“智能功能”的智能结构应运而生。这一技术的出现显著地推动了航空领域的发展,如利用形状记忆合金作为驱动器驱动指定结构变形可以改变飞行器气动性能,而利用压电材料作为传感器和驱动器对结构进行健康监测和振动噪声控制是当前智能结构研究的重要方向。以此为背景,介绍了南京航空航天大学智能结构研究团队近十年来在智能结构方面的研究进展,以期为智能结构技术的发展与创新提供可以借鉴的思路。     

不同振动形式下压电俘能结构热弹性耗散研究

通常情况下,压电材料应用于结构中可实现对外界能量的俘获,但是在能量收集过程中,热弹性耗散将对其能量俘获效率产生影响。因此,本文提出了压电俘能结构热弹性耗散特性的研究方法;首先,基于Euler-Bernoulli梁理论,并结合压电结构变形影响时的热传导方程以及压电结构电场方程,推导出在压电热弹性耦合下不同振动形式时结构的控制方程;然后,通过数值计算和仿真分析的方法得出结构的频率漂移及热弹性阻尼的变化,得到了不同振动形式下温度场对压电结构的影响;同时,针对结构几何尺寸对结构热弹性耗散的影响进行了讨论,得到了压电热弹性耦合对压电装置能量俘获的影响。     

长桁与蒙皮脱粘对复合材料加筋板承载能力影响分析

复合材料结构在制造和使用过程中,难免产生分层损伤,这些损伤都会在不同程度上影响结构的承载能力。针对复合材料加筋板,采用有限元动态显式分析方法,分析长桁与蒙皮脱粘面积对加筋壁板结构屈曲和后屈曲承载能力的影响。在ABAQUS商业化有限元分析软件及其二次开发平台上,利用用户自定义材料(VUMAT)的方法对材料性能进行连续衰减,实现加筋板轴压载荷作用下的渐进式失效分析。建立了脱粘面积与结构承载能力之间的关系,研究结果可为合理制定复合材料构件缺陷验收标准和结构修理容限提供分析依据。     

直升机自适应桨叶模型的初步实验研究

为了研究压电陶瓷对复合材料模型的驱动性能，掌握其规律，为自适应旋翼的研究打下基础，文中模仿直升机桨叶设计了一个典型模型试件，利用压电陶瓷在不同布片方式下对其进行驱动，使其产生弯曲和扭转变形。不同条件下的对比实验表明，压电陶瓷作为驱动器可以达到比较好的驱动效果。     

结构系统可靠性初步评估方法

提出了基于系统可靠性理论的广义结构余度概念，探讨了单元初步损伤程度、载荷设置水平、单元强度差异系数等因素对系统综合失效概率相对及绝对界宽的影响，用实例计算说明在大型结构系统的方案设计阶段，以主模失效概率初步评估系统综合失效概率的可行性和有效性。     

压电结构的控制-结构一体化设计

对于离散分布、同位配置压电片驱动器和传感器的压电耦合板，首先构造了四节点 Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ矩形板弯单元，从而建立了有限元模型。在此基础上，给出了主动阻尼振动控制模型。将系统的存留能量指标归结为一个 Ｌｙａｐｕｎｏｖ 方程的解。以系统的存留能量指标为适应度函数，以作动器和传感器的位置及控制增益为优化参数，利用基于共享函数机制小生境技术的遗传算法进行结构、控制设计。最后，对一悬臂压电耦合板进行了实例分析。结果表明，该方法是解决控制结构一体化设计的一种有效途径，可以得到多个最优解或次优解。     

基于特征响应谱的防隔热构件脱粘损伤定位

飞行器防隔热构件多采用胶粘形式与冷结构连接,在严酷的飞行振动环境中易发生脱粘损伤,有必要利用地面环境试验考核其环境适应性,并在试验后及时判断结构健康状态。本文提出一种基于结构特征级扫描响应谱均方根偏差(Root Mean Square Deviation,RMSD)的损伤定位方法,可得到结构全部区域的损伤概率分布云图,实现结构损伤识别与定位。以一种防隔热材料构件为研究对象,在仿真分析和试验研究中应用该方法对结构的特征级扫描响应谱进行分析,实现了结构脱粘损伤识别与准确定位。     

压电固体作动筒及其在结构中的应用

建立了大位移压电固体作动筒（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｔｒａｉｎ ａｃｔｕａｔｏｒ， ＰＺＴ ＩＳＡ）的动力学模型。探讨了压电固体作动筒在结构应用中的力学驱动模型，研究了压电作动筒和结构之间的驱动传递关系，以及在结构应用中获得最大输出位移和最大作用力的匹配关系；研究了利用压电作动筒驱动直升机伺服襟翼的一种初步构想以及机械放大机构，用于替代现有的液压装置，对旋翼进行主动减震降噪。同时在不同的频率及负载下，对压电作动筒的驱动性能进行了实验，并作了讨论。结论表明：利用压电作动筒作为直升机伺服襟翼控制的驱动器件，可以实现对伺服襟翼的主动变形及振动控制。     

压电传感元件在智能结构中的应用研究

研究了压电材料作为传感元件在智能结构中的应用。开发了基于锆钛酸铅压电陶瓷传感元件的智能结构实验系统，利用压电传感器对复合材料板结构的载荷变化进行监测并对传感器组的冲击定位功能进行了试验。文中采用模式识别技术，成功地实现了结构连接损伤出现的判别和损伤位置的确定     

镍钛形状记忆合金丝的性能测试分析

从形状记忆合金（ Ｓ Ｍ Ａ）的性能测试和智能材料与结构研究的角度出发，论述了 Ｓ Ｍ Ａ 驱动元件的应力、应变、温度和相变之间的测试关系，并通过分阶段和不同的变量组合，对直径０．５ｍ ｍ 的 Ｎｉ Ｔｉ Ｓ Ｍ Ａ 丝（ Ｎｉ４９．２％ ａｔ Ｔｉ）的基本驱动特性进行了系统的测试分析，测试内容主要集中于相变温度、自由状态下的最大回复应变、约束状态下的回复应力等。结果表明， Ｎｉ Ｔｉ Ｓ Ｍ Ａ 丝的应力应变温度关系呈现出高度的非线性，环境温度和外加应力是影响 Ｎｉ Ｔｉ丝性能的主要因素，外载荷将使相变温度升高；约束回复中，随着约束应变量的增大和温度的升高， Ｎｉ Ｔｉ丝的回复应力也增大。该测试结果为更好地监测和控制 Ｎｉ Ｔｉ Ｓ Ｍ Ａ 的驱动行为、设计 Ｓ Ｍ Ａ 驱动元件提供了参考依据。     

具有光纤神经系统的新颖复合材料结构的发展及展望

本文综合介绍了近年来国外迅速发展的具有光纤神经系统的新颖复合材料结构的研究成果及发展趋势。提出了埋设于复合材料内部的光纤系统将成为未来飞行器结构的“神经网络系统”而使结构成为“智能结构”等新概念。文章较详细地阐述了这种新颖结构在制造和使用过程中在应变、变形、固化、损伤、疲劳等检测方面的具体应用及发展趋势。     

电磁式作动器与受控结构的耦合特性研究

本文分析了电磁式作动器与受控结构的耦合特性。以某典型电磁式作动器为例,建立了它与恒流输出功率放大器、恒压输出功率放大器配套使用时的数学模型,以及它与受控结构的耦合模型,研究了受控结构耦合作用下电磁式作动器的频率特性,计算结果与试验结果一致。另外,本文还推荐将恒流输出功率放大器与电磁式作动器配合使用。     

埋入式光纤应变传感器

埋入式光纤应变传感器是近年来随着智能复合材料的发展而发展起来的一项新技术，将传感器和致动器埋置于复合材料中，就形成了智能复合材料，而光纤传感器具有尺寸小重量轻的特点，当把它们直接埋置于复合材料中时，它们也能在恶劣的环境下工作，它们的这些特点晨常适合于制作埋入式传感器，并且能大大提高智能复合材料在航天等方面应用的潜力，本文仅对智能复合材料中的光纤应变传感器进行了探讨，介绍了几种常见的埋入式光纤应变传     

结构振动主动控制技术的现状与发展趋向

本文对结构振动主动控制技术的现状进行了评述,介绍了受控结构的模型降阶、溢出的产生和抑制方法,阐述了目前所采用的各种控制器的设计方法及在设计过程中应考虑的几个问题(例如:模型误差及溢出、传感器与作动器的类型和位置的优化选择、参数不确定性、时滞等)以及振动主动控制系统实现时所采用的各类作动机构,指出了振动主动控制技术的发展方向。     

压电智能桁架结构的位移最优控制

使压电智能桁架结构中待控制节点位移的最大值达到最小，以结构强度及作动器性态作为约束条件，以作动器电压作为控制变量，建立最优控制模型。对结构进行了机电耦合有限元分析，利用线性压电学原理，导出了结构节点位移及杆件应力与控制电压的关系。模型被转化为序列线性规划问题进行求解。用数值方法模拟了结构位移控制的效果，实例表明该方法在保证强度的同时，能有效控制结构的节点位移，并可处理任意工况多位移要求的情况，这是普通结构通过初始结构设计难以实现的。