Inteligentní konstrukce - Informační a vzdělávací centrum

Kap. 11
Inteligentní konstrukce
Informační a vzdělávací centrum kompozitních technologií
&
Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky
FS ČVUT v Praze
22.1. 2007 – 26.1. 2007
Smart structures – „inteligentní konstrukce“
• Jinak také chytrá, multifunkční, přizpůsobivá konstrukce
• Inspirace hledána v přírodě
• Svou funkci vykonává v závislosti na působení vnějších
vlivů a svém aktuálním stavu
Smart structures – základní dělení
Smart structures – základní dělení
• (I.) Sensor structures – senzorické systémy
(Fungují pasivně, pomocí integrovaných senzorů zjišťují stav svůj,
případně i okolí)
• (II.) Reactive smart structures – oživlé, reagující systémy
Jsou vybaveny integrovanými senzory, aktuátory a řídícími
systémy (umožňujícími zahrnutí zpětné vazby, například podle
aktuální tuhosti, změny tvaru apod.)
• (III.) Intelligent structures – inteligentní systémy
Nejvyšší forma „chytrých“ konstrukcí, obsahuje senzory, aktuátory
a řídící systém schopný učit se
Části inteligentní konstrukce
•
•
Senzory (snímací členy)
–
Tenzometry (odporové, polovodičové)
–
Piezoelektrické snímače
–
Optické snímače
Aktuátory (akční členy)
princip elektrický
–
piezoelektrické
–
elektrostrikční
–
elektrorheologické
magnetický
–
magnetostrikční
–
magnetorheologické
tepelný
–
•
slitiny s tvarovou pamětí
Řídící systém
Piezoelektrické prvky
• Fungují na piezoelektrickém principu (1880 bratři Curiové)
• Založené na keramice (PZT – Lead Zirconate Titanate) nebo
polymerech (PVDF - Polyvinylidene Fluoride)
• Mohou být zároveň aktuátory
• Ve formě tenkých fólií i silových členů
Piezoelektrické prvky
• lineární pro malé
deformace
• hystereze (nutno uvažovat
při návrhu řídícího obvodu)
• Curieova teplota (100 400°C)
• průrazné napětí
– 600 V/mm pro PZT
– 40 000 V/mm pro PVDF
Tenzometry
• Kovové nebo polovodičové
• Měří na principu sledování změny elektrického
odporu
• Dlouhodobě používané, zvládnutá technologie
• Umožňují i multiaxiální měření
• Nevýhodou je náročnost instalace vzrůstající s
počtem tenzometrů
• Nemožnost integrace do struktury, citlivost na rušení
Optické snímače
•
Nejmodernější (zatím vysoká cena)
•
Necitlivé k vnějšímu rušení
•
Minimální útlum (délka vlákna může
být i desítky kilometrů)
•
Umožňují multiplexing
•
Lze je integrovat přímo do
kompozitového dílu
•
Měření deformací, teploty, vlhkosti
apod.
FBG optické snímače
•
FBG – Fiber Bragg Grating
•
Fungují na principu porovnání
odražené části spektra s
referenční Braggovou mřížkou
•
Nejrozšířenější z optických
senzorů (kompaktní rozměry –
typicky stovky mikrometrů
průměr snímače, délka setiny
mm až milimetry, dostatečné
mechanické vlastnosti –
snesou prodloužení až 4%)
EFPI optické snímače
• EFPI – Fabry-Pérot snímače
• Fungují na principu dvou
odrazivých ploch a porovnání
odražených signálů
• Nevhodné pro integraci do
dílu kvůli větším rozměrům
• Výhodou je možnost teplotní
samokompenzace
Elektrostrikční materiály
• Elektrostrikce je závislost
deformace feroelektrického
materiálu na velikosti působícího
elektrického pole. Je to vlastnost
všech dielektrických materiálů, ale
pouze u některých keramických
materiálů je prakticky využitelná –
například PMN (Pb Mn Ni), s
elektrostrikční deformací až 0,1 %)
• Vykazují kvadratickou závislost
• Bez hystereze (nevyžadují řídící
systém se zpětnou vazbou)
Magnetostrikční materiály
•
•
•
•
Magnetostrikcí nazýváme proces, kterým
prochází feromagnetický materiál při změně
tvaru za působení magnetického pole.
Podobně deformace od vnějšího zatížení
způsobí změny v magnetické bilanci. Tato
obousměrná magneticko-mechanická vazba
může být využita jak pro aktuátory, tak pro
senzory
Magnetostrikční jev je výsledkem natočení
malých magnetických domén, způsobujících
deformace a tím prodloužení materiálu ve
směru působícího pole
Za běžné pokojové teploty je deformace
čistého materiálu (např. Kobalt) cca 60
microstrain. Legováním lze vlastnosti
podstatně vylepšit, například Terfenol
dosahuje při mechanickém předpětí až 2000
microstrain
Velmi rychlá odezva (mikrosekundy)
Elektrorheologické a magnetorheologické tekutiny
•
nekoloidní roztoky malých (řádově mikrometry) polarizovatelných částic
•
mění své vlastnosti působením magnetického (elektrického) pole
•
vlastností je schopnost vratné přeměny z volně proudící, lineárně viskózní kapaliny na
částečně tuhou
•
předpokládané využití pro úpravu tlumících vlastností kompozitů
•
nevýhodou je zvýšení hmotnosti kompozitu bez zlepšení pevnostních vlastností
•
využívá se jako rozhraní mezi řídící elektronikou a mechanickým systémem, s rychlou
odezvou
Slitiny s tvarovou pamětí
Robot Stiquito
Slitiny s tvarovou pamětí
• SMA (Shape Memory Alloys)
• Nejčastěji slitiny Ni-Ti např. Nitinol, Cu-Zn-Al, a Cu-Al-Ni
• Efekt tvarové paměti objeven v roce 1962 (založen na fázových
přeměnách v materiálu)
• Schopnost velkých deformací (3-25x vyšších než odpovídající piezo
prvek, například ekvivalentní ocelová pružina snese 10x menší
elastickou deformaci)
• Teplotní zotavení až 8% plastické deformace (2 % při cyklickém
namáhání)
• Nevhodné pro vysokofrekvenční pohyby, většina slitin má špatné
únavové vlastnosti (ocelový ekvivalent snese až 100x více cyklů)
• Vhodné pro aplikace vyžadující velké deformace a dosahované síly
• Použití v lékařských aplikacích
SMART Layer
Inteligentní konstrukce v letectví
• Sledování stavu konstrukce
– Zvýšení bezpečnosti
– Snížení nákladů na údržbu
– Nižší hmotnost konstrukce
– Kvalitnější podklady pro další návrhy
– Prodloužení života letounu
• Řídící plochy bez závěsů
– zvýšení výkonů zlepšením aerodynamické čistoty
– snížení spotřeby paliva
• Snížení hlučnosti a zvýšení pohodlí cestujících
• Potlačení aeroelastických jevů
• V budoucnu možnost měnit tvary profilů za letu, nastavování
lopatek proudových motorů, regulace výstupních trysek
raketových motorů apod.
Snížení únavových poškození SOP u letounu F-18 Hornet
• Vznik trhlin na SOP v důsledku působení vírů při letu
na vysokém úhlu náběhu
• Použití piezosnímačů a piezoaktuátorů
• Principem tlumení je přeměna elektrické energie,
vznikající deformováním piezočlenů, na energii
tepelnou v připojených elektrických odporech
Snížení hladiny hluku v kabině dopravního letounu
DARPA/AFRL/NASA/Northrop Grumman Smart Wing Program
• Využití SMA v konstrukci
mechanismu nakrucování křídla,
klapek a křidélek
• 10% zisk vztlaku při využití
pouze křidélek a klapek
• 15-20% zisk vztlaku s využitím
nakrucování křídla
Použitá literatura
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Lin M., Qing X., Kumar A., Beard S.J., SMART LAYER AND SMART SUITCASE FOR
STRUCTURAL HEALTH MONITORING APPLICATIONS, Acellent Technologies, Inc.,
Renton W. J., Aerospace and structures: where are we headed?, International Journal of
Solids and Structures 38 (2001), pp 3309-3319
Kelly A., Davidson R., Uchino K., Comprehensive Composite Systems, Volume 5, pp 469474, Elsevier Science Ltd., 2000
Ye L., Lu Y., Su Z., Meng G., Functionalizated composide structures for new generation
airframes: a review, Elsevier Science Ltd., 2005
Inman D. J., General Owerview of Advanced Technologies
Florance J. P., Burner A. W., Fleming G. A., Hunter C. A., Graves S. S., Martin C. A.,
Cotributions of the NASA Langley Research Center to the DARPA/AFRL/NASA/Northrop
Grumman Smart Wing Program, AIAA 2003-1961
Wilbur M. L., Wilkie W. K., Active Twist Rotor Control Applications for UAVs, NASA, 2004
Wilbur M. L., Yeager W. T., Wilkie W. K., Cesnik C. E. S., Shin S., Hover Testing of
NASA/ARMY/MIT Active Twist Rotor Prototype Blade, NASA, 2000
Moses R. W., Wieseman C. D., Bent A. A., Pizzochero A. E., Evaluation of New Actuators in
a Buffet Loads Environment, NASA, 2001
www.fiso.com, www.blueroadresearch.com, www.stiquito.com,
www.physikinstrumente.com, www.smartfibres.com, www.aos-fiber.com