（机械电子工程专业论文）sma传感、驱动性能及其结构健康监测技术研究.pdf

拣要逮壬沦文 仪，从而完成了结构健康监测的实验系统，成功用于缩构健康监测。 荚键溺： 影状记忆合金缝梅毽痰篮溅笺合糖辩蒸逡游责挝 枣弯莛 ! 苎主鹭塞! 憋堡壁：望垫丝壁建薹堕塑熊壅堕塾整查塑塞 a b s t r a c t s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ( s l i m ) i sa ne m e r g i n ga p p l i e dt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ， d e a l i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n i q u e sa n ds y s t e mf o rt 1 1 e c o n t i n u o u sm o n i t o r i n g 、 i n s p e c t i o na n dd a m a g e d e t e c t i o no f s t r u c t u r e s ，a n di t su l t i m a t eg o a li st oi n c r e a s er e l i a b i l i t y , i m p r o v es a f e t ya n dr e d u c em a i n t e n a n c ec o s t s t h et e c h n o l o g y c a nb ea p p l i e dt om o n i t o r s t r u c t u r e sd u r i n gt h e i rw h o l el i f e ，s u c ha sc r i t i c a lp a r t so fh i g h - r a t i n gk e ye q u i p m e n t s ， b r i d g e s ，d a m s ，b u i l d i n g s ，a e r o n a u t i c a n da s t r o n a u t i ci n s t r u m e n t s ，c h e m i s t r yi n d u s t r i a l c o n t a i n e r s ，a n de l e c t r i c a lp o w e r s 。 t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni si n t e n d e dt om e e tt h ea b o v ee n g i n e e r i n g sn e e d s ， a n d d e v e l o pan e w k i n do fs t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yb a s e do ns e n s i n ga n d a c t u a t i n gp r o p e r t i e so fs h a p em e m o r ya l l o y st op r o v i d eas i m p l e ，e c o n o m i ca n dr e l i a b l e t e c h n i q u em e t h o dm o n i t o r i n gi m p o r t a n te n g i n e e r i n g s t r u c t u r e so nl i n e 。t h e r e f o r e ，r e s e a r c h o nw h e t h e rt h es h a p em e m o r y a l l o yc a nb es i m u l t a n e o u s l yu s e d a ss e n s o ra n da c t u a t o ro r n o tw a sc o n d u c t e d m a i nr e s e a r c hw o r k sc a nb es u m m e d 印mf o u ra s p e c t s f i r s t l y , t h es e n s i n g a n da c t u a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs h a p em e m o r ya l l o y sw e r e s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e da n dm e a s u r e da f t e r a n a l y z i n gs h a p em e m o r y e f f e c ta n d s u p e r e l a s t i e i 辑n i t is h a p em e m o r ya l l o yw i r e s a n dc u - b a s e dh e l i c a ls p r i n g sw e r es e l e c t e d t ot e s t 矾l e r e l a t i o n s h i p sa m o n gs t r e s s ，s t r a i n ，r e s i s t a n c e a n d t e m p e r a t u r e o fn i t i m e m o r y - w i r e a n ds u p e r e l a s t i c 诫r e , w h i c ha r ei nc o n s t a n tt e m p e r a t u r e , c o n s t a n ts t r e s sa n d s h a p er e c o v e r y , w e r e m e a s u r e da n da n a l y z e d t h ea c t u a t i n g p r o p e r t yo f c u - b a s e ds p r i n gi n t h r e eb a s i cc o n d i t i o n sw a s i n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tn i t im e m o r yw i r e f o rp u r em a r t e n s i t eo rp u r ea u s t e n i t ea n ds u p e r e l a s t i cw i r eh a ss t r a i n s e n s i n gn a t u r e ，a n d m e m o r y - w i r ea n ds u p e r e l a s t i cw i r ep o s s e s ss t r e s s a c t u a t i n gp r o p e r t yd u r i n gr e s t r a i n e d r e c o v e r y , a n dt h a tn i t is u p e r e l a s t i cw i r ec a nb eu s e da ss t r a i n - s e n s i n ge l e m e n tt om o n i t o r s t r u c t u r a lh e a l t hc o n d i t i o n s e c o n d l y , s t r u c t u r a li m p a c tr e s p o n s em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo fc o m p o s i t em a t e r i a l s b a s e do nn i t is u p e r e l a s t i cn a t u r ew a sr e s e a r c h e d s o m et y p i c a le x p e r i m e n t a ls p e c i m e n s e m b e d d e dw i t hs u p e r e l a s t i cw i r e sw e r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h ed y n a m i c so f i m p a c t o nf i b e r - r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s t r u c t u r ew a sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d m e t h o d sa n d r e l i a b i l i t yo fs t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gu t i l i z i n gt h el a r g es t r a i na n de l e c t r i cp r o p e r t yo f s h a p em e m o r ya l l o y ss u p e r e l a s t i c i t y w e r es t u d i e d b yl o wv e l o c i t yi m p a c t t e s t t h e a 8 s t 姒c t遘论文 c o n c l u s i o ni st h a tn i t is u p e r e l a s t i c s e n s i n ge l e m e n t se m b e d d e di ns t r u c t u r ec a nb ew e l l u s e dt om o n i t o r i m p a c tr e s p o n s e s ，s u c ha si m p a c tp o s i t i o n ，i m p a c td e g r e e ，a n ds oo n t h i r d l y , s t r u c t u r a ls t r e n g t hm o n i t o r i n go fc o m p o s i t em a t e r i a l se m b e d d e dw i t l ln i t i s u p e r e l a s t i cs e n s i n ge l e m e n t sw a sr e s e a r c h e d e x p e r i m e n t a ls p e c i m e n se m b e d d e dw i 也 s u p e r e l a s t i cw i r e s ，w h i c ha r er e c t a n g l el a m i n a t e dc o m p o s i t ep a n e l sw i t hac i r c u l a rh o l ea n d s q u a r ep l a t e ，w e r ep r e p a r e dt om a k er e s p e c t i v e l yt e n s i l ea n db e n d i n gt e s t t h eo u t p u t so f s e n s o r se m b e d d e di ns t r u c t u r e sw e r et i m e l ya c q u i r e dt om o n i t o rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f s t r u c t u r e ，r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tn i t is u p e r e t a s t i cw i r e se m b e d d e di ns t r u c t u r e sc a r l m o n i t o rf r a c t u r eb e h a v i o ra n ds w e n g t hi nt h es t r u c t u r e s f o u r t h l y , ad y n a m i cp r o p e r t y t e s t e ru s e dt o i m p a c ts t r u c t u r e ，w h i c h h a s m u l t i p a r a m e t e r st e s t i n gf u n c t i o n ，a n dah e a l t hm o n i t o r i n gs i g n a lc o n d i t i o n e ra n da m p l i f i e r w e r ed e v e l o p e d , a n d e x p e r i m e n t a ls y s t e ma p p l i e d t om o n i t o rs t r u c t u r a lh e a l t hw a s e s t a b l i s h e d i no r d e rt or e a l i z el o wv e l o c i t y i m p a c tt e s t a n dm e a s u r ep a r a m e t e r sf o r c o m p o s i t e s t r u c t u r e se m b e d d e dw i t hn i t i s e n s i n ge l e m e n t s ，l o wv e l o c i t yi m p a c tt e s t e rw a s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e db yo u r s e l v e s ，w h i c hc a nb eu s e dt om e a s u r ei m p a c tf o r c e i m p a c tv e l o c i t y , i m p a c te n e r g ya n ds oo i l t h em u l t i c h a r m e ls i g n a lc o n d i t i o n e r sa n d a m p l i f i e r sw e r ed e v e l o p e dt om o n i t o rs u p e r e l a s t i cw i r e se m b e d d e di ns t r u c t u r e ，a n d16 c h a n n e l sp a r a l l e ld a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mw a ss e tu p 。s o ，t h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mw a s e s t a b l i s h e da n d s u c c e s s f u l l yu s e d a ss t r u c t u r a lh e a l t h m o n i t o r i n g k e y w o r d s ： s h a p em e m o r ya l l o y ( s m a ) s t r u c t u r a lh e a l t h m o n i t o r i n g ( s l i m ) c o m p o s i t e m a t e r i a l s l o w v e l o c i t yi m p a c t t e n s i o nb e n d i v 声明 本论文内容是在导师的指导下独立完成的，研究内容除在参考 文献中指明的引用外，没有任何抄袭或侵权。 本论文的版权属于南京理工大学。任何个人或单位引用论文的 内容和研究成果，必须征得论文作者和所在单位的同意。 堡主造塞 ! 坠垡壁：翌塾丝壁墨基堕塑堡塞竺型垫篓塑塞 一一一 注释表 符号 垫位定义 s m a形状记忆合金 s m e形炊记忆效应 s e超弹性 m 。 马氏体相变开始溆度 m ， 马氏体相变结束温度 a 。 奥氏体相变开始温度 a f 奥氏体相变结束温度 m 马氏体 a 奥氏体 t 温度 暑马氏体体积分数 k 热传导率 pe电阻率 c ￥热容量 o m p a 应力 应变 r q 电阻 fn ( k n ) 接触力( 载荷) e 杨氏模量 泊松比 k 接触刚度 sm m 位移，变形 堡圭釜塞塑! 堡整：塑黧竺鐾墨茎笙塑堡璧整塑茎查坚窒 1 绪论 1 1 引裔 复合材料在工程结构中翦疲爝越来越多。随整大爨复合榜辩拇搏，魏簸空、本 工程缝构接遥或超遘箕设诗寿愈，瓣这些雏筠翁狡态逡行煎弱与谣 鑫鞋确定它稻兹鼋 载能力、谈掰性能及安全性要褥越来越重要；对新的工程结构设计开发寅时、在线的 结构健康般测与控制技术，使得结构在投入运行至熊究全失效的整个服役期可动态、 在线地监测冀结构状态，一直是工程界梦寐以求的髓标。基于智能结构思想而发展起 来的结构健袋髓测技术正是试图勰决工程上的上述趣题，近年来得到国内外研究入员 憨毫度重凝。结穆德藤整溺麓褒绣狡投入运行至其宠全失效静整个疆纹麓，动态、实 时、在线穗麓测结构状态，从而肖教替代传统检测方法，增强结构的安全可靠性。它 还将对传统缩构的设计、制造和使用产生巨大影响，避免设计保险系数选取的盲目性。 可厂泛应用于大型骨干设备的关键部件、桥梁、水坝、民用建筑、航天设备、化工容 器、电力领域等，实现对运行状态的监测。 。2 结构穗康篮测醑究现状 美国军方研究人员于2 0 墩纪8 0 年代末率先提出了将传感元件、驱劝元件复合到 飞机结构中搬的设想，使飞机材料结构本身除了具有强度、刚度的功能以外，还具有 安全监测、飞行控制、通信、导航、雷达等特殊功能，从而赋予飞机结构莱些智能特 征，这样便产童了“智能稼艇结构( i n t e l l i g e n t s m a r tm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s ) ” 数毂念。荬褥想来源予傍生，藏躲裁学静角度来羲，骜g 毒手辩结构中豹佟憋元俘、驱 动元件及控制元件分别相当于人和动物的神经元、肌随及大脑，基体材料则相当于骨 骼。智能材料结构分为集成型与本征型两大类。集成勰智能材料结构，怒利用先进的 材料复合技术将敏感元件、驱动元件甚至控制元件集成于基体材料中，使材料结构具 有惑知外界鞠或内部状态与特谯变优，并畿根据变讫滟具侮特征进季亍瓣谈，献嚣采 取疆瘦控弱繁酶终窭会瑾响应瓣整合登结稳，这是銎蠢蓼餐辘誊孝辩结季鸯静磷究主流。本 征型智艟材辩结构是利用内部微结构具有传感、驱动及控制功能的材料制成的结梅， 因此，仅在宏观及一般尺度上的结构设计及控制是不行的，必须在分子、原予甚至纳 米量级上进行人工结构组装及复台，这种智能材料结构目前尚未出现，进行这方面的 探索具有更大酌攘战性，面螭的技术难题会更多，一星剪辑突破将会极大媳推动材料 秘学鹃发震，毽憩，这是未来餐戆麓裁缝擒戆发震方穗。 结构健廉黢测是利用结构现场茏损测量信息分析系统的特性参数，包括结构的响 应，以识别结构的变化，从而揭示结构可能的损伤或艨量退化。随着智能材料结构研 堡圭釜塞塑! 堡整：塑黧竺鐾墨茎笙塑堡璧整塑茎查坚窒 1 绪论 1 1 引裔 复合材料在工程结构中翦疲爝越来越多。随整大爨复合榜辩拇搏，魏簸空、本 工程缝构接遥或超遘箕设诗寿愈，瓣这些雏筠翁狡态逡行煎弱与谣 鑫鞋确定它稻兹鼋 载能力、谈掰性能及安全性要褥越来越重要；对新的工程结构设计开发寅时、在线的 结构健康般测与控制技术，使得结构在投入运行至熊究全失效的整个服役期可动态、 在线地监测冀结构状态，一直是工程界梦寐以求的髓标。基于智能结构思想而发展起 来的结构健袋髓测技术正是试图勰决工程上的上述趣题，近年来得到国内外研究入员 憨毫度重凝。结穆德藤整溺麓褒绣狡投入运行至其宠全失效静整个疆纹麓，动态、实 时、在线穗麓测结构状态，从而肖教替代传统检测方法，增强结构的安全可靠性。它 还将对传统缩构的设计、制造和使用产生巨大影响，避免设计保险系数选取的盲目性。 可厂泛应用于大型骨干设备的关键部件、桥梁、水坝、民用建筑、航天设备、化工容 器、电力领域等，实现对运行状态的监测。 。2 结构穗康篮测醑究现状 美国军方研究人员于2 0 墩纪8 0 年代末率先提出了将传感元件、驱劝元件复合到 飞机结构中搬的设想，使飞机材料结构本身除了具有强度、刚度的功能以外，还具有 安全监测、飞行控制、通信、导航、雷达等特殊功能，从而赋予飞机结构莱些智能特 征，这样便产童了“智能稼艇结构( i n t e l l i g e n t s m a r tm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s ) ” 数毂念。荬褥想来源予傍生，藏躲裁学静角度来羲，骜g 毒手辩结构中豹佟憋元俘、驱 动元件及控制元件分别相当于人和动物的神经元、肌随及大脑，基体材料则相当于骨 骼。智能材料结构分为集成型与本征型两大类。集成勰智能材料结构，怒利用先进的 材料复合技术将敏感元件、驱动元件甚至控制元件集成于基体材料中，使材料结构具 有惑知外界鞠或内部状态与特谯变优，并畿根据变讫滟具侮特征进季亍瓣谈，献嚣采 取疆瘦控弱繁酶终窭会瑾响应瓣整合登结稳，这是銎蠢蓼餐辘誊孝辩结季鸯静磷究主流。本 征型智艟材辩结构是利用内部微结构具有传感、驱动及控制功能的材料制成的结梅， 因此，仅在宏观及一般尺度上的结构设计及控制是不行的，必须在分子、原予甚至纳 米量级上进行人工结构组装及复台，这种智能材料结构目前尚未出现，进行这方面的 探索具有更大酌攘战性，面螭的技术难题会更多，一星剪辑突破将会极大媳推动材料 秘学鹃发震，毽憩，这是未来餐戆麓裁缝擒戆发震方穗。 结构健廉黢测是利用结构现场茏损测量信息分析系统的特性参数，包括结构的响 应，以识别结构的变化，从而揭示结构可能的损伤或艨量退化。随着智能材料结构研 缝论 毒士论文 究的发展，结构健康监测技术近年得到迅速发展为一项应用技术，涉及结构的连续监 测、检查以及损伤探测。其最终目的是增热结构的可靠性和安全性，降低维修的成本。 为达到这些嚣舔，嚣蘸有两萃孛稠关翁技术方法：一是奁设诗寿命蘩舞辩结稳薛各关键 部位( 点) 定期或连续监测应变的变化，据此判断从而避免结构过载；二是结构的损 伤评估和初始损伤判断。 国蠹步 研究誊霹魏进霉亍了丈量静褒巍工终，露应交鞠撰痿整溅瓣主要按术之一楚 通过监测结构中的传感元件，对结构局部或整体的健康状况做出评价释判断。这垫传 感元件主要有光纤传感器、服电元件等。光纤是最早用于智能材料结构的机敏传感元 传，它是集传感鞠传输予一体的测试器 牛，光纤是将机械变化量转换为光学量来避行 溺试兹系统。校撵毙绎传感嚣率先被调韵豹特征参量来分，究纡传墓嚣露光强调稍爨、 相位调制型、偏振态调制型、波长调制型和频率调制型。若根据测量形式的不同可分 为点式传感器( p o i n ts e n s o r ) 、积分式传感器( i n t e g r a t i n gs e n s o r ) 、分布式传感 器( d i s t r i b u t e ds e n s o r ) 簿。罄蔫零霓戆党绎簧感器及英特点总缨予装i 。2 ，i 袋示。 b r a g g 光栅光纤传感器是最讽几年来发展最为迅速的光纤无源器件之，可分为弼期 性光栅和非周剃性光栅，非周期性光栅怒在周期性光栅的基础上研制的一种新型光 椴，其目的是扩嶷周期性光搬豹反射带宽，以满足在铡爨中的需要。近年来国内外肖 大爨静工终集中在b r a g g 毙襁光纤传惑嚣黪基础稻瘟蕉磷究上8 ”“o “，热拿大已程 1 6 座桥梁上进行了试验研究“1 。总的来说，光纤具有质辍、体积小、易于埋入任何形 状的构件中，另夕卜，还有灵敏度高、精度离、频带宽、数据传输率商、便于波分与对 分复怒，数及嶷骞撬邀磁干撬、藜褰漫、瓣囊镶、奄终缘经好等魏莛褥程。霹燹予瀑 度、压力、速媵、流量、位移、电磁场等多种物理量的检测。但光纤传感器也有岛身 缺点，如组成光纤的玻璃材料呈脆性不能测量大应变，光纤检测系统结构复杂、成本 较麓，应用受到定艰制。 基于梳窀隈抗法翡结稳键漾篮测技术避年来得至发震，有望成麓实对的结构撰伤 评估方法。其撼举的思想是嫩测由损伤引起的结构机械臌抗的变化。幽于很难直接测 量绪构的机械照抗，该技术怒利用压电元件的机电耦合特性，将压电元件贴在结构的 裘鬻，菝据匿奄元终豹电辍撬与缝穆接饶g l 起憨掇掇疆魏囊蔹穗关馥+ 透_ 蓬篮测压电 元件与结构耦合的机电阻抗，可判断结构融发生或早期的损伤。为提商对早期损伤赡 测的灵敏度，测缝电阻抗通常是在3 0 k h z 以上的高频进行，这是阻抗法与传统的基于 掇渤豹损伤探测技术静主要不同。由于使溺离频，这耪繁予疆抗豹技术对压电元转邻 近隧闻的微，j 、变化非常敏感，在大多数情况下，这是很裔耀的。僵同辩它也限制了激 励敏感的区域。该技术与基于模态的损伤探测结合有塑建立精确的能康监测方法。1 。 在机械工稷中，振动方法已作为一种常规手段运用予对运行中机器的整体状态髓 溺。基于振动麴络稳撰饶探溅磅究已有l o 多年”。 一 堡主笙窒! 坠堡壁：墨塑竺丝垦苎堕塑堡塞竺型堇查翌窭一一一 以上这些技术各有其优势和局限，而集成各种相关智能材料、传感器、驱动器， 并利用现代通讯、信号处理技术，形成智能结构监测系统，是结构健康监测技术的必 然发展趋势。因此，迫切需要寻找新的、较经济和可行的技术方法和新的原理，解决 工程结构的在线健康监测问题。对结构内部状态的监测，合适的传感元件是技术的关 键。 表1 2 1 常见光纤传感器及其特性 种类基本原理特点 利用光纤材料的光敏特性，在纤 抗干扰能力强、传感探头结构简单、尺寸 小、可进行绝对测量。 b r a g g 光栅芯内形成空间相位光栅。其测量 对波长变化检测的技术复杂、仪器和光纤 光纤传感器是通过光纤中光栅的b r a g g 中心 器件较贵，需要大功率光源，检测分辩率 波长的变化反映出应变的大小。 和动态范围有限制。 根据f a b r y p e r o t 干涉仪的原理 制成。入射光在两反射镜之间多 灵敏度高、传感器探头微型化、可实现联 次反射形成多光束干涉的输出， f a b r y - p e r o t 网。 当腔长或腔中媒质的折射率由 光纤传感器缺点是只能测量被测量变化的大小，而不 于外界因素改变时，其干涉输出 能直接反映被测量的实际大小。 也随之变化，从而测出外界因素 ( 应力、温度等) 的变化。 利用高双折射光纤两正交摸式 之间的相位羞随外加压力而改测量精度较高。 高双折射 变的关系，通过光外差干涉技测量是通过相位差进行的，其对各环境变 光纤传感器 术，使两正交偏振模产生干涉，化非常敏感，易产生白噪声。 构成应变传感器。 目的是能测量被测量大小和状 态，同时能知道这些量与测点的 对应关系。主要有两类原理：一 光时域反射原理使用背景散射光，信噪比 是利用光时域反射原理，其类似 不理想，为提高分辨率要使用光时域反射 分布式计。 于雷达的工作原理；二是利用光 光纤传感器 光谱反射原理可靠性高，但由于光源波长 谱反射原理，即利用宽带光源或 和光纤通光窗口有限，传感点数受到限 波长可调的光源从光纤的一端 入射，每个测点的反射或透射光 制。 的光谱不一样。 博士论文s m a 传感、驱动性能及其结构健康脏测技术研究 。4 本文魏主要研突工侔 s m a 作为一种十分黧耍的功能组元材料，由于具有独特的力学与物理性能，三 十多年来得到国内外研究糟的足够重视。从以上的分析可以看到，目前在智能材料结 狡孛对箕焉佟驱动元终及葵癍爰瓣硬突樱慰较多，瑟辩莛簧感蛙缝及其疰爱熬磷炎弼 很少和很不系统。如果在一定条件下，能利用s m a 的电特性实现传感功能，开发成 s m a 自传感驱动智能材料结构，这将使羧体结构大为简化且更易于系统集成，实现结 构的智能化麟性。这是智能材辩结构极舞藏途的一个发展方向。 本文主黉开震戳下死蠢覆静研究： ( 1 ) 系统研究和分析形状记忆合金的传感、驱动性能，从而进一步揭示其用作健 康监控的传感和驱动机理。蔡构建以s m a 为组元的智能材料结构，必须切实掌攒s m a 戆转感与驱动特蝗。虽然s m a 诞生己鸯5 0 年历史，茭露l 造与应蠲按零褥至l 了较大豹 发展，但因其具有特殊的力学、物理特性、复杂的棚变过程以及与温度的依赖关系， 使得关于s m a 的性能评价技术进展缓慢，更没有可供利用的可靠的基础性能数据库。 邂过研究，系统地掌握s m a 形状记忆效瘫与超弹性行强过程中的力学与电特性数据， 羯示s m a 的热力学本质，发现s m a 这一智能材料绪祷重要组元李考瓣的优缺点，论证 s m a 是否适台传感及驱动的功能要求，为下一步构建以n i t is m a 为传感元件的结构 健康监测技术建立坚实的瑷论基础。通避研究n i t is m a 传感的智能材料结构，可以 兖分挖掘n i t is m a 熬应穗潜力，获瑟滋一步疆究传感与驱动之瓣豹互逶壤，镬缮智 能材料结构的系统集成、储号采集处理及控制大为简化，也为结构健康监测提供新的 技术方法； ( 2 ) 磅究纂予超弹瞧彤状记忆合金酌复会材料缝搦冲击响应蕊测技术。在砖n i t i 形状记忆合余传感、驱动瞧能系统研究鹃基础上，发城其可矮子结构链康整铡的传感 特性。在对复合材料结构受载作用的应力、应变分布分析的基础上，将一定规格的 n i t i 超弹性缎埋入复合材料结构，设计和制作典型的实验构件。分析和总结了纤维 臻强复合= | 孝辩续秘戆净毒凌力学瑾论，遴遘霹各典鳖安验秘嵇透露低速发诤壶试验， 宓时采集和分析结构中传感元件的输出信号，研究利用s m a 超弹性特性所具有的大应 变及电特性实现结构冲击响应监测的方法和可行性； ( 3 ) 研究蠼入n i t i 怒弹性传感元佟豹复合材辩缭橡强度监测方法。设计耱铡终 了用于拉伸、弯髓试验静实验构件。对熊型构件通过挝伸、弯曲进行模拟受载试验， 分析埋入结构中传感元件的输出，以实骏的方法监测结构宏观力学行为； ( 4 ) 研制究成用于材料冲击试验的多参数动态性8 试验机l v i - 2 0 0 。为了能窟现 霹理入n i t i 您感元终翡簧会掏磐进行低速狰老试验，遴行各参数豹测试，研究囊翱 了低速冲击试验机。该试验设备可实现对冲击力、冲诲初始速度、冲击能量等参数的 ! 堕笙 盟型杰一 测艇： ( 5 ) 研制完成健康监测徽弱信号调理与放大仪，构建1 6 路并行数据采集系统， 从而完成了结构健康监测的实验系统，成功用于结构健康监测。 本文各章繁豹结穆魏t ； 第l 章介绍了课题的研究背景及选题依据。 第2 章主要为对形状记忆合金传感性能、驱动性能的实验研究及机理分析。研究 主要选择n i t i 形状记忆台金熊秘移c u 蘩记忆合金螺旋嚣簧。对n i t i 记忆丝窝越弹 憋丝在恒温、憾应力及恒瘟变状态下的斑力一应变一电隧一温度之间酌囊化关系进行了 系统的测试和分析；对c u 基形状记忆合愈弹簧在三种熬本使用状态的驱动性能j 行 了研究和分析。 ， 第3 章余绥蒸子n i t i 熬辩链丝传慧特毪酌复合麓料结擒猝毒拣藏蕴溺靛实璇方 法、实验系统及实验结果分析。在分析典烈结构受载的力学特性后，设计制作了埋入 越弹性丝传感元件的玻纤环飘树脂实验构件，用于冲击试验。介绍了自行开发的低遽 冲凌试验机的构戏鞠暴理，设诗了蕴测超港牲传感元传戆蘧号调理及放大电路，毒弩建 了绪构程康盗测笳实验系统。对准西周围支的实验掏彳串设计了冲击试验的方案，分析 了冲击响应监测的结果。 第4 章为蠼入超弹性传感元件的结构强度监涮实验獗究工作。设计了典型静嚣瓣 实验稳话，分羯为缮入n i t i 怒弹毪丝熬长方形和方形鼷扳。对长方形实验襁终在微 机控制电子万能试验机上进行拉伸试验，对方形层板试伟准四周固支，进行弯曲试验， 同时实时监测埋入传感元件的输出信号。对实验结果进行了分析。 磐5 章露全文浆臻究工露送行了慧缓。 一l * 一 博士论文s m a 传薅、驱动佳壁鼙基箜塑堡塞鍪塑鏊垄墅窒 2s m a 传感、驱动性熊研究 其有形状记忆效应的典型材料为n i t i 形状记忆合金，其晶体结构中t i 与n i 的 原予数之比接近1 ：1 ，按照原子量( t i 为4 7 9 0 ，n i 为5 8 7 1 ) 换算成质艟百分比约为 4 5 ：5 5 。其马民俗稳交滠度骧合金成分、热处理援莛、翔王方法等不鞫嚣毒辑改变， 其中合金成分辩籀变温度点静影响最大，n i 含量改变0 1 篱，相交温度点将变化l o 友农，因此调整n i 含量可以控制形状回复温度。另外在含金中添加元素，也可以使 相变温度点发生偏移。 蠡s 融开发戳寐，关予s 漱枣孝籽毒l 遥及瘴蔫技术褥弦了遗速发震，巍子s 融其鸯 与鬻通金属材料完全不同的力学、物理性能及复杂的相变过程，因此，至今没有形成 统一的性能评价标准。就n i t is 姒这一她型s m a 材料而亩，国内外一魉学者利用理 论上建立豹本擒攘罄对s 淞鹣确应行楚遴纾了颞测，勇一黧耩究a 费裂i 纛过实验手段 对s 凇的力学行为进行了测试，但这些研究往往都局限在温度变化条件下的力学行 为，而对其传感和驱动性能进行系统的研究则很少。由于s m a 材料行为的复杂性，网 前尚未形成可供利用的基础数据库。各种理论模型还不能完全对复杂的性能以精确撼 述，裁兹，器裁程餐锈结鞠研究中，主要逐蹩基于实际静瞧2 鞭l 试数据为依据。 2 1 s m a 的性能评价内容 s 擞匏摆变孬为与其拐始缀缓状态、施宓瑟靛应力及环壤湿度密切桷关，困魏，研 究s 漱在不同条佟下的电阻、威力、应交及滋度之间的关系是s 淞性能评价的核心内 容。通过实验测试不同试验条件下( 固定应力、应变及温度三个参数中的一个) s 姒的 电性能与力学性能，由钡0 试数据得出s 姒的主要性能。采用的具体性能评价内容如下： ( 1 ) 潼湿获态下熬毫隘一疲力一疲交关系( r - p e ) ， 应力和应变( o e ) 曲线鼹衡量金属材料最基本的力学性能指标。对于s m a 来说， 不同温度下，材料的组织状态将会发生变化，因此，必须狂不同温度区内对材料进行 拉传试验，记录a e 蘧线，以戴来全瑟鬻鬟耪辩豹应力一藏交关系。遴过。一e 惑线 可以了解s 融在控伸( 压缩) 进程的力学幸亍为，测得材料的极限应变，同时通过电阻和 应交( r e ) 的关系曲线可以了解s m a 在拉伸过程的电阻特性变化。 ( 2 ) 恒应力状态下的电阻一应变一温度关系( r - e - t ) 。 痰力诱发马氐俸稻交是s 淞鳃重要特谯，s 漱受努麓敷力的影嗡将会发生稻变浚 度的偏移。通过测试不同外加威力下的电阻、应变和温度( r - 一t ) 的关系，可以了解 应力对s m a 相变温度等性能参数的影响。 ( 3 ) 夔应变萼爱悫下黪电龌一应力一湿度关系( r ot ) 。 博士论文s m a 传薅、驱动佳壁鼙基箜塑堡塞鍪塑鏊垄墅窒 2s m a 传感、驱动性熊研究 其有形状记忆效应的典型材料为n i t i 形状记忆合金，其晶体结构中t i 与n i 的 原予数之比接近1 ：1 ，按照原子量( t i 为4 7 9 0 ，n i 为5 8 7 1 ) 换算成质艟百分比约为 4 5 ：5 5 。其马民俗稳交滠度骧合金成分、热处理援莛、翔王方法等不鞫嚣毒辑改变， 其中合金成分辩籀变温度点静影响最大，n i 含量改变0 1 篱，相交温度点将变化l o 友农，因此调整n i 含量可以控制形状回复温度。另外在含金中添加元素，也可以使 相变温度点发生偏移。 蠡s 融开发戳寐，关予s 漱枣孝籽毒l 遥及瘴蔫技术褥弦了遗速发震，巍子s 融其鸯 与鬻通金属材料完全不同的力学、物理性能及复杂的相变过程，因此，至今没有形成 统一的性能评价标准。就n i t is 姒这一她型s m a 材料而亩，国内外一魉学者利用理 论上建立豹本擒攘罄对s 淞鹣确应行楚遴纾了颞测，勇一黧耩究a 费裂i 纛过实验手段 对s 凇的力学行为进行了测试，但这些研究往往都局限在温度变化条件下的力学行 为，而对其传感和驱动性能进行系统的研究则很少。由于s m a 材料行为的复杂性，网 前尚未形成可供利用的基础数据库。各种理论模型还不能完全对复杂的性能以精确撼 述，裁兹，器裁程餐锈结鞠研究中，主要逐蹩基于实际静瞧2 鞭l 试数据为依据。 2 1 s m a 的性能评价内容 s 擞匏摆变孬为与其拐始缀缓状态、施宓瑟靛应力及环壤湿度密切桷关，困魏，研 究s 漱在不同条佟下的电阻、威力、应交及滋度之间的关系是s 淞性能评价的核心内 容。通过实验测试不同试验条件下( 固定应力、应变及温度三个参数中的一个) s 姒的 电性能与力学性能，由钡0 试数据得出s 姒的主要性能。采用的具体性能评价内容如下： ( 1 ) 潼湿获态下熬毫隘一疲力一疲交关系( r - p e ) ， 应力和应变( o e ) 曲线鼹衡量金属材料最基本的力学性能指标。对于s m a 来说， 不同温度下，材料的组织状态将会发生变化，因此，必须狂不同温度区内对材料进行 拉传试验，记录a e 蘧线，以戴来全瑟鬻鬟耪辩豹应力一藏交关系。遴过。一e 惑线 可以了解s 融在控伸( 压缩) 进程的力学幸亍为，测得材料的极限应变，同时通过电阻和 应交( r e ) 的关系曲线可以了解s m a 在拉伸过程的电阻特性变化。 ( 2 ) 恒应力状态下的电阻一应变一温度关系( r - e - t ) 。 痰力诱发马氐俸稻交是s 淞鳃重要特谯，s 漱受努麓敷力的影嗡将会发生稻变浚 度的偏移。通过测试不同外加威力下的电阻、应变和温度( r - 一t ) 的关系，可以了解 应力对s m a 相变温度等性能参数的影响。 ( 3 ) 夔应变萼爱悫下黪电龌一应力一湿度关系( r ot ) 。 ! ! 坠焦蕉：墅垫丝堑堡窒 ： 一燧主笙窒一 s m a 静耱馊之一，莛在形状强复遥程中翅受到绞窳，舞其将会对绞塞体产生霞复 力。因此，程僳持一定应变不变的情况下，电阻、应力和温度( r 一0 一t ) 的变化关系是 衡量s 姒形状记忆效应的主要性能指标。由不同应力的( r o t ) 关系，可以确定s m a 的最大回复成力的大小以及形状回复的开始与结束温魔等。 2 2 试僚材料及英预处理 形状记忆合金具有两个重要酾特性，即形状记忆效应( s 瓶) 帮超撵瞧( p z ) 。实验 主要对两种规格的材料进行：一烧n i t i 形状记忆热村研究其传感、驱动性能；二 是c u 基形状记忆弹簧，主要研究其驱动特性。对n i t f is m a 丝试件选用常温下分别具 有形状记忆效应与超弹性的两种材料。为以下叙述方便，将相变温度a r 离于常温并 其鸯形状运酝效应熬n i t is m a 丝考孝豁为n i t is 凇记酝缝，纛穆籀交瀑发a ，低于鬻 温并其骞超弹榷豹n i t is m a 毖豺称为n i t is m a 超辩髓丝。 ( 1 ) n i t is y a 记忆丝 试件成分：t i - 5 0 5 a t n i ( 即t i - 5 5 6 w t n j ) 试件规格：直径中0 。5 0 m m ，长波1 5 0 m m 材料铡冬：纯度为9 9 。9 9 6 的海缀丁i 与纯凄为9 9 ，强爨毫舞n i 块混含聪剃藏龟掇 一囊空叁耗次熔炼一囊空感疲= 次熔薅一8 5 0 e 4 h 均匀亿处瑾一熬锻袋棒辩一 热轧成丝一热拉成细丝。 预处理；7 5 0 o 5 h 固溶处理- - 5 0 0 。c 2 h 时效，炉冷一冰水、沸水中备浸l a i n ， 循环5 0 次，以稳定材料性能。材料的最后处理条件为冰水，以保证n i t is m a 记忆丝 躲骧始状态均必统一靛马氏体态。 ( 2 ) n i t is m a 踅襻经丝 试件成分：t i - 5 0 7 a t n i ( 即t i - 5 5 8 w t n i ) 试件舰格：直径0 3 0 m m ，长度1 5 0 m m 材料制备：纯度为9 9 9 的海绵t i 与纯度为9 9 7 的电解n i 块混合聪制成电极 一真空自耗一次熔炼一真空感应二次熔炼一8 5 0 。c 4 h 均匀化处理一热锻成棒精一 熬转残丝一冷缒藏缨丝( 3 0 4 溅冷变形耋) 。 预处理；7 5 0 0 5 h 囿溶魑瓒- - 3 6 0 。cxl o m i n 时效处理。 ( 3 ) c u 撼s 姒弹簧 实测以c u z n a l 记忆合金螺旋弹簧为试件。 试件情况 见表2 2 1 。 试 譬缝梅参数：觅表2 。2 2 。 1 2 - 一 ! ! 坠焦蕉：墅垫丝堑堡窒 ： 一燧主笙窒一 s m a 静耱馊之一，莛在形状强复遥程中翅受到绞窳，舞其将会对绞塞体产生霞复 力。因此，程僳持一定应变不变的情况下，电阻、应力和温度( r 一0 一t ) 的变化关系是 衡量s 姒形状记忆效应的主要性能指标。由不同应力的( r o t ) 关系，可以确定s m a 的最大回复成力的大小以及形状回复的开始与结束温魔等。 2 2 试僚材料及英预处理 形状记忆合金具有两个重要酾特性，即形状记忆效应( s 瓶) 帮超撵瞧( p z ) 。实验 主要对两种规格的材料进行：一烧n i t i 形状记忆热村研究其传感、驱动性能；二 是c u 基形状记忆弹簧，主要研究其驱动特性。对n i