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第1章绪论
1.1智能结构
结构是反映有形物体或无形认知等相互之间关系的概念。结构本身可以由一个或多个物体组成，如机械结构、建筑结构等；也可以是一种属性，如社会结构、数据结构等［1，2］。本书的结构是指由单个或者多个物体组成，能够维持自身形状，并具有一定刚度、阻尼和承载能力的装配体。
按照来源不同，结构可以划分为天然结构和人造结构。天然结构广泛存在于自然界中，如岩石、地壳、植物和动物的组成部分等；人造结构是人类在自然界物体的基础上发明和制造的，如石器、机械、电子产品等。
1.1.1结构衍变历史
天然结构，尤其是生物体相关的结构，在大自然的长期进化和衍变过程中，形成了经过优化、高效的组织形式，使结构不单具有传统的刚度、承力、支撑功能，还能够根据外界环境的变化，自我传感、思考、驱动，以改变自身的状态，适应外界环境，具有智能化的特征。例如，人类的皮肤（图1.1），它本身集多种传感、驱动功能为一身，不仅作为人体的保护结构，还具有温度、湿度、压力等传感功能，能驱动毛孔、汗毛、汗腺等的运动，实现人体温度调节。再如，蚕茧（图1.2）是非常轻质的多孔结构，其内部结构优化、高效，不仅透气性好，还有一定的阻尼，能够消耗一定的外界攻击能量，保护蚕蛹免受伤害。
图1.1人类皮肤结构
图1.2蚕茧
人造结构随着人类历史发展，其“智能化”程度也在不断提高（图1.3）。在石器时代，人类直接使用石材、骨头等天然材料，通过简单打磨，制造出的结构形状简单、功能单一；青铜器时代，铜被发现并用于铸造结构，青铜器外形精致，功能多样；铁器时代，人类掌握了铁的冶炼和制造技术，结构的强度进一步提高，形状进一步优化；蒸汽时代，随着蒸汽机的发明，结构有了动力源，变成了“活”的结构；电气时代，随着内燃机、电机等更多动力源的出现和自控技术的快速发展，结构不仅能够“活”动，而且具备自我控制能力；当前所处的信息时代，随着计算机的发明和普及、微纳米加工技术的发展、新型微传感器与驱动器的出现，结构能够自我思考、传感、驱动，更加趋近于自然界中的生命体。从图1.3可以看出，随着人类文明从石器时代发展到现在的信息时代，人造结构的形式越来越精巧，功能越来越多样化，“智能化”程度越来越高。
图1.3人造结构衍变历史
1.1.2智能材料特点
智能材料是指材料的一种或多种性质（如阻尼、刚度、形状、电阻等）会在激励（如力、热、光、电、磁等）作用下，发生显著变化［3］。根据用途不同，智能材料通常可分为两大类：传感（或敏感）材料和驱动材料。
传感材料是指对来自外界或内部的刺激强度及变化具有感知能力，并能以电流、电压、磁场、光等信号进行反馈的材料。这类材料可以用于结构中，实现传感功能。常见的传感材料有光纤、热敏材料、变形敏感材料等。利用传感材料可以制作传感器。传感器是一种能感受指定的被测量，并输出信号的器件或装置［4］。
驱动材料可以根据温度、电场或磁场等的变化来改变自身的颜色、形状、尺寸、位置、刚性、阻尼、相位、内耗等性能，可用在结构中，实现驱动功能。常见的驱动材料有形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）、压电材料、电流变材料等。利用驱动材料可以制作驱动器，驱动器是一种将能量（如电能、液压、气压、电磁等）转换为运动或力输出的装置，通常用于结构或系统的移动或控制［5］。
在结构中选用智能材料驱动时，评价其性能的关键指标有驱动应力和应变、能量密度、驱动频率等［6］。图1.4为常用智能材料驱动应力、应变及体积能量密度（单位体积中的能量）的对比。图1.5为能量密度（单位质量中的能量）及驱动频率的对比。可以看出，在现有智能材料中，SMA的能量密度，同时也具有较高的驱动频率
图1.4常用智能材料驱动应力、应变及体积能量密度对比［6］
图1.5常用智能材料能量密度及驱动频率对比［6］
、较大的输出应力和应变，综合性能突出，是一种在工程中易于推广使用的智能材料。
1.1.3智能结构定义
智能结构是在结构中集成智能材料作为传感器和（或）驱动器，使结构除了具有承载、传力、连接等功能外，还具有感知自身状态（温度、压力、速度等）、改变自身性质（刚度、阻尼、形状等）等功能，以更好地适应外界环境的变化，实现预定功能的一类结构。
智能结构的显著特点是结构和传感器、驱动器高度集成，这个特点使智能结构明显区别于传统的具有主动控制功能的结构。如图1.6所示，传统的具有主动控制功能的结构一般包含传感器、驱动器、控制器等多个部分，并且传感器、驱动器的界限分明。相比之下，智能结构由于利用了智能材料的固有驱动、传感特性，直接将智能材料集成到结构之中，使结构更接近于生物体结构，智能和自适应特点更明显，能够更好地实现结构的功能。
图1.6传统主动控制结构和智能结构的对比
在航空航天飞行器、精密仪器等系统中，为了减轻质量，提高智能化程度，往往在系统中采用智能结构来满足设计
图1.7智能蜂窝结构［7］
和使用需求。例如，智能蜂窝结构将蜂窝作为基体材料，在其中嵌入多个光纤传感器，通过计算机处理光纤中的信号，及时掌握自身温度、应力分布，实现对自身状态的实时监控（图1.7）［7］。智能机翼在机翼龙骨结构中集成压电驱动器，当外界来流变化或飞机自身需要进行特殊姿态飞行时，可利用驱动器改变机翼的弯曲形状，保证气动性能（图1.8）［8］。
图1.8美国SmartWing计划发展的智能机翼结构［8］
1.2形状记忆合金
形状记忆合金是一类能够“记忆”其初始形状的合金材料，由于同时具有传感和驱动功能，是一种智能材料。SMA具有两种特殊的宏观力学性能，即形状记忆效应（shapeme mory effect，SME）和超弹性（super elasticity，SE），都是由其内部的微观相变机制引起的。目前，SMA已经在工业、医学等领域得到了较为广泛的应用。
1.2.1宏观力学特性
SMA重要的宏观力学特性包括：形状记忆效应和超弹性。
图1.9形状记忆效应示意图
形状记忆效应是指SMA在环境温度低于其相变温度时，对其加载并卸载，卸载后存在残余应变，此时对SMA加热，就可以使残余应变消失，SMA完全回复到加载前的形状，见图1.9。
基于形状记忆效应，SMA可以用来作为驱动器。如图1.10所示，用SMA制作成弹簧，通过对弹簧反复加热、冷却，弹簧将会反复提升、降低重物，对重物做功。这个过程就是形状记忆效应的一种体现形式，对于这种SMA在反复
加热、冷却下对恒定负载做功的循环，本书称为形状记忆循环。形状记忆循环下的应变温度变化曲线如图1.11所示。本书第5～8章介绍的SMA航天压紧释放机构、SMA航天锁紧机构、主动变刚度的转子支承结构、SMA主动阻止裂纹扩展结构等都利用了SMA的形状记忆效应。
图1.10SMA弹簧的形状记忆循环
图1.11形状记忆循环下的应变温度曲线
当SMA用于驱动器时，通常会设计与之相配合的偏置弹簧（或偏置弹性结构），使其在回复后还能在偏置弹簧作用下重新被拉伸，实现双程驱动，其原理如图1.12所示［9］。这类SMA驱动器比较常见，如本书第5、6章介绍的SMA航天压紧释放机构和SMA航天锁紧机构都采用了这样的驱动器。
超弹性是指当SMA处于较高环境温度时，对其施加应力使其发生较大变形，当应力释放后，SMA仍能回复到变形前的初始形状的现象，见图1.13。
图1.12SMA丝偏置弹簧驱动器［9］
图1.13SMA超弹性示意图
基于超弹性特性，SMA可用在很多需要大变形或大阻尼的结构中。典型的超弹性如图1.13所示，通过重物对超弹性SMA丝加载，使SMA丝发生较大变形，当取下重物后，SMA丝会自动回复到其加载前的形状。若反复重复上述过程，对超弹性状态的SMA丝进行反复加载及卸载循环，称为超弹性循环。典型的超弹性应力应变曲线如图1.14所示，其应力应变曲线将形成滞回圈，耗散机械加载的能量，因此SMA具有良好的阻尼特性。NiTi合金的比阻尼可达15%～20%，CuZnAl合金的比阻尼高达30%～85%［10］，是优秀的阻尼材料。本书第7章介绍的SMA拟橡胶金属减振器就是利用了SMA的超弹性和大阻尼特性。
图1.14超弹性循环下的应力应变曲线
