形状记忆合金增强复合材料的振动主动控制试验研究

　　自适应结构是指基体材料、传感和驱动材料以及微电子处理控制系统集成或融合在一起的整体。这个整体不仅具有承受载荷、传递运动的能力,而且具有检测、动作、改变结构特性等功能。即结构根据不断变化的外界环境和自身状况,在自诊断的基础上作自适应的调整,而始终处于最佳状态。目前该技术已广泛应用于结构强度和形状控制、结构噪声和振动控制、建筑结构的防震、增加大型柔性结构的阻尼等方面。SMA板壳型自适应结构是在板材的表面或在复合材料的铺层中预埋形状记忆合金,它们在板壳结构中同时具有承载和传感/作动功能。作为传感器,SMA能够检测出结构的变形情况,输出电荷或电流,所测得的信号输入反馈放大器,经过放大的信号可以用来激发制动器;作为驱动器,SMA可以产生足够的应力来抵消作用在结构上的干扰,抑制振动或保持结构的形状。由于SMA对温度的变化特别敏感,变形恢复力是可调节的,这使SMA能够满足自适应的要求,在应用方面有很大的潜力。目前已成功地应用在结构低频控制、噪声的主动控制、结构损伤的主动抑制等领域。以往对形状记忆合金的应用多局限在对一些简单工程结构的振动进行抑制,对结构振动的激励以及SMA驱动器布局对主动振动控制效果的影响的研究很少。本研究旨在通过试验来分析SMA在工程振动主动控制中的应用,并讨论SMA驱动器布局对结构主动振动控制效果的影响。在实际工程,特别是航空航天领域中,有许多结构都可简化为悬臂梁模型力学计算。本试验中采用的结构也为悬臂梁结构。

　　1　控制试验

　　为了从不同的角度验证形状记忆合金在结构振动控制领域的应用,共设计了3种试验方案,以便进行分析比较:

　　①对在中性层铺设SMA纤维的悬臂梁结构的振动进行控制;

　　②对上下表面对称均匀粘贴SMA丝的悬臂梁结构的振动进行控制;

　　③对单侧表面粘贴SMA纤维的悬臂梁结构的振动进行控制。

　　此处的控制包括对结构振动的抑制和激励。试验中所采用的纤维增强复合材料悬臂梁结构的基体材料为玻璃纤维/环氧树脂。

　　1.1　对中性层铺设SMA的悬臂梁振动的控制(方案1)

　　沿着悬臂梁的对称中截面,在中性层均匀分布着5根经过预处理的TiNi形状记忆合金纤维丝。与控制回路相连接,形成了一块具有主动控制能力的形状记忆合金增强复合材料板。板长280mm,宽30mm,总厚度3mm,SMA纤维的直径0.5 mm,如图1所示。

　　利用SMA对此试验件的振动进行抑制或者激励,其控制的机理是利用SMA特有的伪弹性。本试验的控制系统为一个较简单的闭环控制系统,采用外加应变片作为传感器,来监测悬臂梁的振动情况。应变片的信号经程序处理,由计算机控制系统产生信号驱动恒流源加热SMA,产生均布轴向力q来抑制或者激励梁的振动,其控制系统参见图2。