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。     

智能结构及其在空间飞行器中的应用

介绍了作为近年来国际上研究热点之一的智能结构的概念、原理、分析方法、及主要应用情况。从技术应用的角度，提出当前国内在空间飞行器结构设计应用中应该重点发展的几项关键技术，最后给出了一个具体的实例，一种集成有位移传感器和力致动器的低电压压电主动(智能)单元结构，用这种主动结构来实现空间精密分段反射镜的低量级振动及形状控制。     

基于新型光纤智能结构的远程监控物联网系统设计

针对现有光纤智能结构自诊断、自修复系统存在的问题,提出并设计了一种基于ARM和GPRS的液芯光纤智能结构的远程监控物联网系统,系统主要包括光源、液芯光纤智能结构、光电检测模块、A/D转换模块、ARM微控制器、GPRS无线通信模块、Internet和监控中心服务器。其中液芯光纤智能结构是由特制的液芯光纤埋入复合材料中构成,采用GPRS无线通信技术,结合以S3C2440为核心处理器的ARM嵌入式技术,同时在监控中心采用自主设计的监控可视化软件直接输出结果,具有直观可靠、控制简单等优点。本文还对液芯光纤智能复合材料结构进行承载实验研究,并采用BP神经网络理论对实验数据进行分析和载荷位置判定,研究结果表明该监控系统性能稳定且效果明显,对复合材料结构载荷位置能够作出准确判断,初步实现了复合材料结构的自诊断。     

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     

空间智能天线夹芯结构热变形力学分析

空间智能天线夹芯结构是一种集承载、维形和微波通讯于一体的多功能结构。该结构将微带天线阵列植入复合材料夹芯结构蜂窝芯体中,既满足了结构力学和热力学性能要求,又满足了被植入天线的电性能要求,实现了空间结构的多功能化,降低了系统综合质量。本文针对低地球轨道的空间热环境,选取低热膨胀系数、低密度、高强度、高模量、耐高温及透波性好的复合材料,基于复合材料力学经典理论分析设计了面内热膨胀系数接近于零的复合材料蜂窝夹芯结构面板,并且对空间智能天线夹芯结构在低地球轨道典型空间环境下的结构热力学响应进行了有限元分析。结果表明,该空间多功能智能天线夹芯结构可以满足在轨空间温度环境下结构变形指标要求。     

主、被动振动控制一体化理论及技术(Ⅰ)--导论

本文是系列讲座的第一篇。针对工程中复杂结构的振动控制问题，本文以一个典型的航天结构为例，对振动控制一体化理论和技术的基本概念进行了介绍，以解决振动控制技术在复杂结构中实现的问题。对各种振动控制策略、控制材料和器件进行了讨论和比较，并对振动控制一体化策略实现中遇到的问题进行了分析，包括控制律中的鲁棒控制，作动器和传感器的优化配置问题，智能材料在振动控制中的应用，特别强调了杂交阻尼在结构减振中的重要作用。探讨了控制机理、优化设计以及智能结构的发展和研究目标，指出振动控制的研究必须与具体工程问题结合，强调试验的重要性，建议建立合作研究的标准化验证模型，促进振动控制一体化理论和技术的发展。     

航天多功能热控材料及结构研究进展

热控材料与结构是航天热控系统的重要组成部分,直接关系到所承载的电子元器件的可靠性和安全性,进而决定其工作状态和使用寿命。电子元器件在服役过程中产生的热量会导致热控问题,而工程中航天热控系统的设计大多数停留在热管与蜂窝集成上。近年来陆续发展了智能热控材料、高导热复合材料、隔/防热材料、被动热控结构、主动热控结构、智能热控结构等一些关于热控材料和热控结构的新概念。在此基础上,本文将与热控有关的最新研究成果进行总结和分析,展望了航天多功能热控材料与结构的发展方向。     

主、被动振动控制一体化理论及技术(IV)——主动结构和智能结构

本文是系列讲座文章的第四篇,介绍了主动结构和智能结构的基本概念,以及目前的研究现状。讨论了线性主动结构的基本概念,给出了模态及其基本属性;重点介绍了有限元的建模方法;考虑建模的不确定性,讨论了不确定性的表示方法及振动鲁棒控制问题;针对航天结构的复杂性,给出了优化问题的一般提法,介绍了遗传算法和模拟退火算法两种优化算法。最后引用了两个桁架结构的实例,说明主动结构或智能结构的有关问题。     

基于模态滤波器的智能空间桁架结构独立模态控制方法

采用现代模态滤波器技术和最优控制理论和研究智能空间桁架结构的独立模态空间控制方法。仿真结果表明，按本文提出的控制策略，完善地解决了传统ＩＭＳＣ控制中的状态解耦问题，从而使ＩＭＳＣ方法不再局限于简单，低自由度数的结构动力控制，对于智能空间结构，实施ＩＭＳＣ方法也是可行并且有效。     

主、被动振动控制一体化理论及技术(Ⅳ)--主动结构和智能结构

本文是系列讲座文章的第四篇,介绍了主动结构和智能结构的基本概念,以及目前的研究现状.讨论了线性主动结构的基本概念,给出了模态及其基本属性;重点介绍了有限元的建模方法;考虑建模的不确定性,讨论了不确定性的表示方法及振动鲁棒控制问题;针对航天结构的复杂性,给出了优化问题的一般提法,介绍了遗传算法和模拟退火算法两种优化算法.最后引用了两个桁架结构的实例,说明主动结构或智能结构的有关问题.     

光纤智能结构的传感网络敏感区域探测

实用的传感网络控制决策以及相应的控制系统保证了智能结构的使用可靠性,而传感网络敏感区域的确定影响到传感网络信号的有效性和传感网络覆盖位置的正确性.本文利用了与光纤智能结构匹配性较好的粗糙集理论粒度计算方法,对光纤智能结构的传感器网络敏感区域进行探测.在研究了机翼盒段光纤智能夹层传感网络后,得出了敏感区域分布和传感网络的覆盖位置,经过分析认为,此法可对光纤智能结构传感网络敏感区域进行探测并可以简省传感网络信号.     

智能材料结构的研究进展

智能材料结构是当前国内外研究的热门课题，进展很快。它的兴起将冲击材料研究部门，并引起了结构设计部门的变革。本文主要介绍埋入传感元件、驱动元件并采用人工神经网络、图形特征识别及新型声发射系统的三种强度自诊断智能结构，埋入形状记忆合金丝的大面积强度自适应结构，以及预报材料疲劳寿命、减振降噪、无舵面机翼和光电红外隐身等智能结构的研究进展。     

一种超宽频共形天线结构的力学性能测试

共形天线结构是一种将机载天线集成到飞机复合材料结构中的集承载、维形、隐身及通信功能于一体的多功能结构。本文采用对数螺旋天线作为内植传感器件,设计并制造了一种超宽频共形天线结构,通过面内压缩试验和三点弯曲试验对该型共形天线结构的力学性能进行了考核测试。试验结果表明,超宽频共形天线结构具有更优的力学性能。相对于未植入天线的复合材料夹层结构,超宽频共形天线结构的面内压缩刚度提高了112%,面内压缩强度提高了95%,结构压缩破坏模式由单纯的面芯分离变成了多个胶接界面分离和芯体剪切破坏的复合破坏模式,且强度分散性变大;超宽频共形天线结构面外弯曲刚度提高了26%,面外弯曲强度提高了17%,弯曲破坏模式由上蒙皮与芯体间的大面积面芯分离变成了压头下部局部蒙皮折断和芯体塌陷。     

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。     

智能结构的损伤及失效研究

根据所观察到的一些损伤形式，对智能结构的损伤和失效问题进行了初步研讨。中给出了失效的定义和一些可能的损伤形式，并指出智能材料结构的损伤和失效研究重点应放在对其功能失效的研究上。用有限元法初步分析了压电驱动器部分脱粘对结构静变形控制的影响。数值结果表明，压电驱动器部分脱粘会减弱其驱动效率，从而影响对结构静变形控制的能力和精度。     

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。     

面向中小型企业的CIM系统

立足于ＣＩＭＳ工程实践，描述了计算机集成制造系统在中小型企业中应用的结构模型，研究了实现以面向市场和用户需求为核心的企业经营活动的功能领域划分方法，并建立了系统的功能结构模型，文章分析了能够满足系统集成要求的信息结构和物料流系统，研究并介绍了一种适用中小型企业应用ＣＩＭＳ的网络体系结构和计算机递阶控制结构，在ＣＩＭＳ应用技术方面，着重讨论了并行工程与ＣＩＭ系统的关系及其在ＣＩＭ中的应用，强调了成组     

MDS图在液态模锻工艺过程单片机仿真控制系统中的应用

本文介绍了液态模锻工艺过程单片机仿真控制系统的设计方法，包括液态模锻工艺程确立、逻辑量确立、硬件系统设计、ＭＤＳ图的建立及软件实现，在工艺设备的逻辑性控制中应用ＭＤＳ图控制结构设计的控制器可方便方便地实现ＰＬＣ的控制功能，也可主便地实现其他娄字逻辑系统的控制功能。