基于压电材料的智能张拉整体结构力电耦合响应研究

Tensegrities are a type of light-weight and reticulated spatial structures, consisting of strings in pre-tension and bars in pre-compression jointed by spherical hinges. Tensegrity structures have found a wide variety of technologically important applications in, for instance, aerospace engineering, civil architectures, biomimetic devices, and biomechanics, and are honoured as “Structural Systems for the Future”. The mechanical properties of tensegrities are closely related to their shapes, and configuration control is thus significant to the realization of structural functions. Based on the theories of structural mechanics and piezoelectric materials, this project will investigate the electro-mechanical coupled responses of smart tensegrity structures consisting of piezoelectric elements, including the topology design, self-equilibrium and stability analyses, and deformation analysis of the tensegrities. In the project, we will establish a theoretical framework for the electro-mechanical coupling analysis on the smart piezoelectric tensegrity, using which the structural coupled responses will be studied through analytical, numerical and experimental schemes. Furthermore, the self-correction, self-adaption and self-reparation functions of smart piezoelectric tensegrity will be explored, with the aim of intelligent control on structural configurations. The present research is helpful for a deep understanding upon the deformation properties of smart tensegrity structures under multi-field coupling loadings, and provides theoretical basis for the structural applications.

张拉整体结构是一类轻质、网格状的空间结构体系，由预拉伸的绳和预压缩的杆通过球铰连接而成，在航天航空、土木建筑、仿生机械、生物力学等领域具有许多重要应用，被誉为“未来的结构体系”。张拉整体结构的力学性质与几何外形密切相关，因此结构的构型控制对实现其使用功能具有重要意义。本项目在结构力学与智能材料学的基础上，拟对压电式智能张拉整体结构的力电耦合响应进行研究，将涉及结构构型设计、变形分析、驱动控制等研究环节，目标是建立适用于含压电元件的张拉整体结构力电耦合变形行为分析的理论框架，为此，将开展结构的力电耦合理论研究，发展非线性数值求解方法，实测典型结构的耦合响应，并进一步探索压电式智能张拉整体结构的自校正、自适应、自修复等智能化功能，以期实现结构构型的智能控制。本项目的实施将有助于深入理解张拉整体结构在多场耦合作用下的变形响应特性，研究成果将为智能张拉整体结构的实际应用提供重要的理论参考。

张拉整体结构是一类轻质、网格状的空间结构体系，由预拉伸的绳和预压缩的杆通过球铰连接而成，在航天航空、土木建筑、仿生机械、生物力学等领域具有许多重要应用，被誉为“未来的结构体系”。张拉整体结构的力学性质与几何外形密切相关，结构的构型控制对实现其功能具有重要意义。将驱动器与张拉整体结构的单元相结合而组成自适应的智能张拉整体结构，在振动控制、结构外形控制和精密定位领域有着重要的应用价值。本项目对含电驱动元件的张拉整体结构的力电耦合响应进行了系统性研究，开展了理论建模、数值模拟和实验测试三方面结合的研究内容，涉及结构构型设计、变形分析、驱动控制等研究环节。理论研究方面，发展了大规模张拉整体结构的组合式构型设计理论，提出了基于力密度矩阵特征值多项式系数行列式的张拉整体结构找形解析求解格式，建立了张拉整体结构准静态力电耦合响应分析理论框架；模拟研究方面，提出了基于结构刚度矩阵法的张拉整体结构力电耦合响应的求解数值方法，模拟研究了棱柱状结构、截角正多面体状结构等多种张拉整体结构的力电耦合响应；实验研究方面，选用电动推杆和PZT压电堆栈为驱动元件以实现不同尺度的变形量，分别搭建了适用于宏观位移测量和微观位移测量的实验测试系统，对棱柱状结构和类扩展八面体球状结构等典型张拉整体结构的力电耦合响应进行了实验研究；实例研究方面，设计了由六根杆和三十根绳组成的柔性张拉整体式智能循迹机器人、四棱柱状张拉整体结构便携帐篷、棱柱状张拉整体式电致位移平台等原理性应用实例。本项目的实施有助于深入理解张拉整体结构在多场耦合作用下的变形响应特性，研究成果可为智能张拉整体结构的实际应用提供重要的理论参考。