第1章　绪论

1.1　智能结构的研究意义

传统的结构是被动的，受到扰动或激励时，会产生响应，而响应完全取决于系统本身的动力学、静力学特性。为了进一步提高系统的性能，提出了智能结构的概念[1，2]。即，将传感器、驱动器、控制器等集成或融合在基体（复合材料）材料中，组成一种材料或结构，使之具有自诊断、自适应、自修复等“智能功能”。从仿生学的角度来看，智能结构系统相当于一个由骨骼、神经、肌肉和大脑组成的系统，如图1.1所示。

图1.1　智能结构系统的灵感来源

• 基体材料——人体的骨骼；

• 传感元件——人体的感官和神经；

• 驱动元件——人体的肌肉；

• 处理和控制芯片——人的大脑。

从工程角度来看，智能材料与结构是一类具有感知、驱动和控制功能的材料、结构系统，它代表了一种全新的材料、结构、功能一体化设计思想。智能结构概念在20世纪80年代最先由美国军方提出，用于减小直升机旋翼桨叶的振幅和扭曲。由于智能结构技术显示了突出的优势与前景，被美国军方纳为急需发展的、有创始性的项目，且很快被土木工程、船舶、汽车、机械、医学等领域看中，认为它将会引起这些领域的革命性的变革与发展。日本、英国、法国等多个国家继美国后，也迅速开展了智能结构的研究。20世纪90年代以来，智能材料与结构的研究在振动、噪声、损伤监测和故障诊断等实际工程领域的多个方面取得了初步的成就[3-6]；21世纪，研究遍及世界各国，认为是一种最有前途的未来技术之一[7]，并且许多学者从智能结构的不同领域开展了大量的研究[13-18]。

为了实现智能结构各种功能，需要传感器、驱动器和基体结构相集成，传感器和驱动器由功能材料实现，控制器具有“信号处理、分析推理、判断控制算法、输出控制”功能，智能结构可以根据外界环境以及自身的状况，自适应的改变系统的特性，从而改变其系统响应，其一体化的设计理念如图1.2所示[19，20]。

图1.2　智能结构一体化设计示意图

作为传感器的功能材料主要有压电材料、光纤、光电传感器、电阻应变片等，作为驱动元件的材料主要有压电材料、形状记忆合金、电流变、磁流变等。其中压电材料作为智能材料中重要成员之一，有其独特的优点。压电材料在结构中不仅具有常规材料的承载能力，还具有正、逆压电效应。人们利用其压电效应把压电材料制作成传感器和驱动器，再施加以一定的控制策略，实现了结构智能化，另外压电材料还具有体积小、质量轻、适用频带宽、机电转换效率高等优点，因而它在所有智能材料的研究中已受到特别的重视。利用压电机敏材料作为传感器和驱动器对结构进行振动控制代表了目前振动和噪声控制研究和使用中一个很有潜力而又非常活跃的领域[7，13，14，16，20]。