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1、智能材料与结构,智能-Smart、Intelligent,智能机器人,智能仿生蜘蛛,韩国仿生玩具,智能、变体飞机,绝密飞行,智能变体无人机,美国NASA无人机设想,智能无人汽车,霹雳游侠,系统组成,承载材料、结构 能源供给系统 传感系统 驱动系统 分析、计算系统,授课主要内容,第1章 绪论 第2章 智能材料系统和结构中的传感材料及传感器系统 第3章 智能材料系统和结构中的驱动材料及驱动器 第4章 光纤传感系统的应用,教材及参考书,杜善义等.智能材料系统与结构. 科学出版社. 2001 杨大智.智能材料与智能系统. 天津大学出版社. 2000 陶宝祺.智能材料结构. 国防工业出版社. 1997,
2、课程特点,多学科交叉：力学、材料、化学、物理、机械和计算机等,第1章 绪论,1.1 智能材料与结构的概念 1.2 智能材料与结构的研究范围与发展趋势 1.3 智能材料与结构的研究与应用现状与前景,1.1 智能材料与结构的概念,材料与信息、能源并列为人类赖以生存和发展的三大支柱之一，在人类经历的每个历史时代的发展和变迁伴随着材料科学技术的进步。材料发展历程： 石器时代：天然石头、木头、天然纤维及粘土（陶瓷） 青铜器时代：铜、锡矿石制备青铜（900） 铁器时代：铁矿石制备铁 18世纪：钢 20世纪：合成材料、复合材料、半导体材料,20世纪50年代，提出智能材料与结构的概念，称为自适应系统（Adap
3、tive System）。,1986年1月28日，美国“挑战者”航天飞机由于封环失效引起液体燃料爆炸，致使7名航天员遇难,这次飞机事故促使美国国会通过了“飞机自我诊断和及时预报系统”的议案，要求3年内完成Smart飞机的概念设计； 1988年9月，美国陆军研究办公室组织了首届智能材料、结构与数学专题研讨会； 1989年日本航空-电子技术审议会提出了从事具有对环境变化作出相应能力的智能型材料的研究。,1988年4月28日波音737客机因金属疲劳引起机舱天花板被撕裂飞脱，致使1死65伤,智能材料与结构的英文表述： Smart（Intelligent）materials Smart（ Intelli
4、gent）structures Smart（ Intelligent） materials and structures Smart（ Intelligent） adaptive structures Smart-机敏（美国） Intelligent-智能（日本）,智能材料与结构的名称,功能材料可以分为两类： 感知材料：对外界（或内部）的刺激（如应力、应变、热、光、电、磁、化学及辐射等）具有感知的材料，可以制作成各种传感器； 驱动材料：对外界环境条件（或内部状态）发生变化作出相应或驱动的材料，可以制作驱动器（执行器、作动器等）。,智能材料与结构来自于功能材料，由功能材料组成。,智能材料与结构材
5、料和功能材料区别,智能材料与结构是利用功能材料制成传感器和驱动器，借助现代信息技术对感知的信息进行处理并把指令反馈给驱动器，从而做出灵敏、恰当的反应，当外部刺激消除后又快速恢复到原始状态。,智能材料与结构源于生物体系统,生物体系统与智能材料与结构系统的对比,智能材料与结构组成： 母体材料（结构材料）、传感器、执行器（作动器）、通信网络和处理器。,1）有反馈功能 能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将结果提供给控制系统，从而获得理想的功能。,2）有信息积累和识别功能 能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释。,3）有学习能力和预见性 能通过对过去经验的收
6、集，对外部刺激作出适当的反应，并可预见未来并采取适当的行动。,根据仿生原理，智能材料与结构应具备的功能：,4）有响应性功能 能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。,5）有自修复功能 能通过自生长或原位复合等再生机制，来修补某些局部破坏。,6）有自诊断功能 能对现在情况和过去的情况做比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正。,7）有自动动态平衡及自适应功能 能根据动态的外部环境条件不断自动调整自身内部结构，从而改变自己的行为，以一种优化的方式对环境变化作出响应。,美国智能材料研究中心的Rogers 的定义： 集成传感器、驱动器和控制器于材料和结构部件，集成智能与生命特征， 以
7、减轻系统质量、能耗并产生自适应功能，这样的系统称之为智能材料系统（Smart material System） 日本非传统技术学会Takagi 定义： 能够根据环境变化， 使自身功能处于最佳状态的材料称之为智能材料 （Intelligent Materials）,智能材料与结构的定义,杜善义院士的定义： 智能材料与结构是以最佳条件相应外界环境变化，并且按照这种变化显示自己功能的材料。可以感到外界环境的变化，并针对这种变化作出瞬时主动响应，具有自诊断、自适应、自修复和寿命预报以及靠自身驱动完成特定功能的能力。,陶宝祺院士的定义： 智能材料结构是将驱动件和传感件紧密融合在结构中。同时也将控制电路、
8、逻辑电路、信号处理器、功率放大器等集成在结构中，通过机械、热、光、化学、电、磁等激励和控制，使智能材料结构不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测，包括应变、损伤、温度、压力、声音、光波等，而且还能够动作，具有改变结构的应力分布、强度、刚度、形状、电磁场、光学性能、化学性能及透气性等多种功能，从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增值、自衰减等能力。,依据智能（或机敏）材料定义中所确定的内涵，组成智能材料的组元材料可分为传感材料、信息材料、执行材料、自适应材料（仿生材料）以及两类支撑材料（能源材料和结构材料）。能源材料
9、用作维持系统工作所需的动力，结构材料是支撑功能材料的基体材料或构件。,智能材料与结构的组元材料,表中按i 、j划分：当i=j时，Pij 是材料的感知信息(能源）特性，它们可以是力、声、热、光、电、磁、化学和辐射；当 时，代表不同能量之间传递的特性。,表1-1材料的信息感知与传递功能符号,1）传感材料（传感器）,能够对外界或内部的刺激强度（如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等）具有感知的功能。 传感器是一种测量装置，它能感受或响应规定的被测量，同时，为了满足信息的传输、处理、储存、记录、显示和控制等要求，它可以将被测量按照一定规律以可用信号输出。理想的用于智能结构的传感器应能将结构内部的状
10、态变化（应变或应变率）直接以电信号的形式输出。,作为智能结构传感器，应具有对包括变形状态（应变、位移）、运动状态（速度、加速度）、受载状态（力、压力、应力）、温度状态（温度、温度梯度等）、健康状态（动态损伤及突发损伤，如战争、地震、风暴、洪水）等的结构状态敏感、易于集成且高度分布的特点。 由于电学性能易于放大、传输和调节，因而通常寻求具有Pi5的性能通过这类材料，将所输人的各种信息转换为电学信息而输出。例如，应变电阻合金、磁致巨阻材料和热敏电阻合金的性能分别是P15、P 65 、P35 。,表1-2感知器用陶瓷材料,陶瓷基感知材料,光导纤维损耗低，反应灵敏、信息传输容量大，抗干扰性强，可以从表
11、1-5中查出它在不同场合下的感知功能。光导纤维对应于表1-1中的P14、P34、P44、P54、P64 和P74。j=4,表1-3 光纤感知功能,光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制成光的光导元件，通过分析光的传输特性（光强、位相等）可获得光纤周围的力、温度、位移、压强、密度、磁场，成分和X射线等参数的变化，因而广泛用作传感元件或智能材料中的“神经元”。,光学传感器,2）驱动器（作动器）,驱动器具有改变智能材料系统形状、刚度、位置、自然频率、阻尼、摩擦、流体速率及其它机械特性的能力，能够对外界环境条件或内部状态发生变化时做出响应。,智能材料与结构常用驱动材料 压电材料 形状记忆合金 形状
12、记忆聚合物 电（磁） 流变体 磁滞伸缩材料,形状记忆合金,压电效应,形状记忆合金,压电材料,电（磁）流变液可作为一种执行器。流体中分布着许多细小可极化粒子，它们在电场（磁场）作用下极化时是链状排列，流变特性发生变化，可以由液体变得粘滞直至固化，其粘度，阻尼性和剪切强度都会发生变化。,电（磁）流变液,磁致伸缩材料,磁致伸缩材料是将磁能转变成机械能的材料，在磁场作用下，材料中的磁畴发生旋转，最终与磁场排列一致，导致材料产生变形。,1.2 智能材料与结构的研究范围和发展趋势,智能材料与结构的研究涉及材料学、力学、化学、力学、生物、微电子、分子电子学、计算机、控制、人工智能等多学科和技术，是多学科综合
13、交叉的研究领域。 因此，智能材料与结构的研究范围广泛，涉及学科领域众多，当前智能材料与结构的研究内容主要包括以下几个方面：,1）传感器和作动器材料研究 新型传感器和作动器材料的研究，是智能材料与结构研究的基础，他的研究进展很大程度上决定了智能材料与结构的实用化进程。,（一）研究范围,2）智能材料与结构的设计和模拟 包括智能材料与结构的优化设计、分析和性能模拟、传感器和作动器的优化布设等。 3）信号处理方法及高速中央处理器的研究 包括神经网络、模糊控制、小波分析等人工智能信号处理技术，以及高速并行处理芯片的研究。 4）智能材料与结构的制造技术 包括智能材料的传感器和作动器的置入技术、组装及自动化
14、生成技术。,5）智能材料与结构的应用领域研究 A）智能复合材料成型工艺的在线监控技术 以测量固化进程中表征参量的传感器为基础，结合复合材料固化机理模型和控制准则组成固化在线监控系统，可以从根本上提高复合材料制品的生产过程可靠性。 B）智能结构建康监测（Structural Health Monitoring）系统研究 就是通过埋入结构中的传感器，根据传感器监测的结构信息，利用先进的信息处理方法，对结构（例如建筑、桥梁、大坝、公路、飞行器、舰船等）的安全状态进行实时监测，实现结构服役过程的安全评定、剩余寿命评估以及损伤定位，从而提高结构服役的可靠性，为结构维修、加固提供依据。,C）智能结构振动主
15、动控制系统研究 就是利用智能材料与结构中的传感器对结构的振动状态进行实时监测，同时利用作动器并利用相应的控制规律，对结构的振动进行主动控制。 D）形状自适应改变智能材料与结构的研究 包括可改变形状的自适应机翼、空间展开机构。 E）智能蒙皮的研究 将微型化的电子系统与功能材料和结构材料相结合，使结构材料不仅具有常规的承载能力和自适应结构的动作功能，而且还可以具有电子设备的某些功能。,随着未来航空、航天、机械、电子、交通等军事及民用工业领域的发展，必将对智能材料与结构的应用提出更高的要求，而智能材料与结构也将向更高层次发展，其发展的趋势将体现在以下几个方面： a）传感器和作动器的多功能集成 一种传
16、感器和作动器具有多个功能，是未来传感器和作动器的发展趋势，如埋入土木结构的光纤传感器既可以监测结构的应力、应变，同时又可以监测器腐蚀情况；而作动器既可以改变其形状、有可以改变自身的颜色等。 b） “材料-结构-系统”一体化的智能系统自动化设计与制造 未来的智能材料应该实现从材料的制备到结构的制造，进一步形成智能系统的整个过程的自动化制备。,（二）发展趋势,c）智能材料器件的微小型化 智能材料器件与微型机电系统（MEMS）的结合，使得智能材料与结构更加小型化，小型化是未来发展的一个重要方向。例如，利用智能材料制造微型飞行器、微型机器人等。 d）智能材料与结构中各器件的自动修复和替换技术 智能材料与结构中各个器件在使用过程中，将不可避免的面临损坏、失效等问题，发展自动修复和替代技术，将对提高智能材料与结构使用的可靠性具有重要意义。,(一) 智能材料与结构目前研究技术路线,美国路线：将传感器、处理器和驱动器埋入结构中，通过高度集成制造智能结构 日本路线：将上述智能结构中的传感器、驱动器、处理器与结构的宏观结合变成在原子、分子层次上的微观组装，从而得到更
