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 (PbMnNi), 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 469-474, 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