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基于超弹SMA丝的类三杆张拉整体自感知结构研究

基于超弹SMA丝的类三杆张拉整体自感知结构研究

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作者：姚泽颖吉林大学

学位级别：硕士

张拉整体作为一种自应力自平衡的空间结构,具有结构简单、质量轻、展纳率高等多种优势,这种结构结合了刚性和柔性结构的优点,在艺术、建筑、微型机器人以及航空航天等领域具有广阔的应用前景。超弹性的形状记忆合金(Superelastic shape ... 详细信息

张拉整体作为一种自应力自平衡的空间结构,具有结构简单、质量轻、展纳率高等多种优势,这种结构结合了刚性和柔性结构的优点,在艺术、建筑、微型机器人以及航空航天等领域具有广阔的应用前景。超弹性的形状记忆合金(Superelastic shape memory alloy)丝是一种具有大回弹性和高能量密度的可记忆变形材料,电阻变化率与应力应变之间具有特定关系,这使得超弹SMA丝在监测与传感领域具有应用价值。目前国内外现有的张拉整体与超弹SMA丝相结合的复合结构,控制难度较大,解算模型相对复杂,在工程应用方面研究较少。因此,本文提出一种基于超弹SMA丝的具有综合承重和力/位移监测能力的类三杆张拉整体自感知柔性结构,分别建立基于超弹SMA丝的节点空间坐标偏移预测模型和节点受力状态预测模型,并通过搭建与之相适配的多功能实验测试装置进行实验验证。论文的主要研究内容如下:1.搭建类三杆张拉整体新型自感知结构。设计开发一种简单可行的可拆分式三杆张拉整体装配装置,在本文所研究的结构中使用超弹SMA丝替换张拉整体的传统索构件材料,构建基于超弹SMA丝的类三杆张拉整体结构。通过设计的装配装置解决三杆张拉整体的装配问题,克服杆构件在安装和拆卸过程中可能出现的错位和偏移情况,实现张拉整体索构件(超弹SMA丝)的定力张紧。2.建立基于超弹SMA丝的类三杆张拉整体自感知理论预测模型。首先,对超弹SMA丝进行预处理,稳定其机械性能,构建超弹SMA丝自感知模型。同时,基于相变动力学评估温度对合金丝的影响,建立与温度相关的电阻预测回归模型。此外,利用类三杆张拉整体结构中各构件变形前后的空间解析几何变形协调方程,构建理论预测模型,预测被测结构节点坐标偏移和受到的外加载荷情况,并对受力后节点的空间位置进行定位。最后,通过粒子群优化算法,对结构的几何构型进行了优化分析,得到抗干扰性更优的几何结构参数。3.利用设计开发的实验测试平台对理论预测模型进行验证。设计开发一种结构简单、功能全面的实验测试装置,在不同环境温度下对被测结构的任意节点施加负载,采集并记录由于结构变形而产生的位移信号、受到的外加负载信号以及合金丝电阻信号。通过实验平台对施加负载后自感知单元与自感知阵列的节点空间坐标与受力情况的理论预测值与实际测量值进行对比分析,验证类三杆张拉整体自感知结构预测的准确性与可行性。本文通过将超弹SMA丝自感知特性与张拉整体结构相结合,提出一种可以在承受负载的同时提供监测的柔性自感知结构。该轻量化结构具有感知监测能力,为未来仿生机器人以及感知传感装置的研究引入了新的思路,拓宽了空间结构与智能材料的未来探索视野。

关键词：超弹形状记忆合金张拉整体柔性结构自感知自监测

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