Библиографическое описание:

Бруданов А. М. Оценка перспектив развития smart-материалов и smart-конструкций // Молодой ученый. — 2015. — №24. — С. 99-101.

 

Концепция систем smart-материалов или smart-конструкций является относительно новой. В последнее время ей уделяется большое внимание в научных исследованиях и различных приложениях. При оценке перспектив применения smart-материалов в качестве примера можно привести выдержки из отчета 1996 года «Новые материалы для грузовых и пассажирских транспортных средств нового поколения», подготовленного в США совместно Комитетом по новым материалам для современных гражданских самолетов, Комиссией по конструкциям и техническим системам и Национальным исследовательским советом. Эти организации пришли к следующим выводам:

                    в ближайшие 15–20 лет конструкции, содержащие элементы из адаптивных материалов, станут доступны, практичны и достаточно экономичны, что сделает возможным их применение для грузовых и пассажирских самолетов;

                    область smart-материалов исследуется экстенсивно, но быстро развивающиеся технологии позволят реализовывать разработки в данной области;

                    способности smart-материалов, в первую очередь, найдут применение для мониторинга состояния конструкций и фиксирования состояния окружающей среды;

                    сначала smart-материалы найдут применение в самой простой форме — в виде пассивных систем. С момента появления этих выводов прошло уже более 15 лет, и анализ литературы показывает, что они близки к настоящей реальности.

Smart-материалы или smart-конструкции, которые также известны в литературе как интеллектуальные, чувствительные, многофункциональные или адаптивные, можно охарактеризовать как системы, которые изменяют свои свойства в зависимости от изменения окружающей среды, которое они фиксируют.

В общем случае smart-конструкции должны включать в себя элементы, изготовленные из определенных материалов, которые обеспечивают способности:

                    изменять свойства всей конструкции в целом под действием внешних полей различной физической природы (электрических, магнитных, температурных и т. п.);

                    оценивать данные о состоянии объекта и принимать решение о действии (посредством вычислительных методов, разработанных в рамках исследований таких конструкций);

                    определять и выполнять правильное действие (на основе знаний или соответствующих законов управления). Способность к адаптации возникает не только на самом высоком уровне организации конструкции, она может также присутствовать на уровнях основного материала, из которого изготовлены элементы конструкции. Природа, как всегда, является главным источником вдохновения инженеров, что подразумевает подход к созданию технологических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются из живой природы. По аналогии с биологическими объектами smart-системы содержат:

                    чувствительные элементы, действующие как нервная система (правый полный круг на рис. 1);

                    исполнительные механизмы, подобные мускулатуре (левый полный круг на рис. 1);

                    устройства обработки данных в режиме реального времени, действующие как центры по контролю за системой (нижний полный круг на рис. 1).

На рис. 1 также показаны различные классы конструкций с точки зрения технологий. Особенно интересными представляются следующие:

                    чувствительные (пассивные) конструкции, которые обладают структурно-интегрированной системой микрочувствительных элементов для определения состояния объекта и, возможно, окружающей среды, в которой он функционирует;

                    реагирующие smart-конструкции, которые имеют «нервную систему» и замкнутую силовую систему автоматического регулирования для изменения свойств конструкции (жесткости, формы, положения, ориентации и скорости);

                    интеллектуальные системы, которые способны к самообучению при адаптировании.

классифик

Рис.1. Классификация smart-материалов

 

Наибольшее распространение при изготовлении smart-композиционных материалов получили пьезоэлектрические материалы. В частности, это объясняется наличием у них прямого и обратного пьезоэффекта. Это позволяет использовать пьезоэлементы как в качестве сенсоров, так и в качестве актуаторов.

Smart-материалы выполняют следующие функциональные задачи: контроль профиля объекта, обнаружение повреждений, в том числе на ранней стадии, контроль и управление динамическими процессами, микропозиционирование, управление геометрией, превращение паразитных шумов в полезную энергию.

Примерами практических приложений smart-материалов могут служить работы по их использованию в авиации для противодействия аэроупругим и вибрационным эффектам, для гашения вибраций кабины самолета, в космической технике для управления динамическим поведением спутниковых конструкций, на железнодорожном транспорте для обнаружения износа вагонных колес и подавления вибраций корпуса вагона, в автомобильной промышленности для устранения вибраций, в тонкой оптике, в высокоточных приборах, в новых поколениях спортивного инвентаря: горных лыж, ракеток для тенниса и гольфа, бейсбольных бит.

Как же это можно реализовать на практике?!

Конструктивно smart-системы (материалы или конструкции) включают в себя (рис. 2):

                    встроенные или закрепленные на поверхности датчики;

                    встроенные или установленные на поверхности исполнительные механизмы (актуаторы);

                    схемы элементов управления для реализации системы контроля (позволяющие обрабатывать данные от датчиков для принятия соответствующего решения).

Датчики и актуаторы в конструкциях копируют природу в значительной степени.

Рис.2. Схема концепцииsmart-конструкции

 

Сообразно нашим пяти чувствам (зрение, слух, обоняние, вкус и осязание) были разработаны визуальные/оптические, акустические/ультразвуковые, электрические, химические и тепловые/магнитные датчики. Отклики от этих первичных датчиков преобразуются в сигналы, которые передаются в центр обработки информации и блок управления (мозг) для дальнейшей обработки. В дополнение к обработке информации этот центр выполняет роль процессора, чтобы принять решение, основанное на входных данных.

За немногими исключениями, рынок smart-материалов и их технологий относительно молод и остается плохо изученным. Большинство современных применений весьма просты или являются производными друг от друга. Но эти материалы найдут более сложное применение, новые реализации и приобретут массовость тогда, когда технологии будут достаточно разработаны, а для поставщиков и пользователей эти материалы станут обычными.

Smart-конструкции будут развиваться, постепенно стирая различия между искусственными технологиями и природой, между живым и неживым. Самообучаемые оборудование и программное обеспечение будут производить необходимые и желаемые собственные аппаратные средства и программное обеспечение.

 

Литература:

 

  1.                Матвеенко В. П., Клигман Е. П., Юрлов М. А., Юрлова Н. А.//Моделирование и оптимизация динамических характеристик smart-структур с пьезоматериалами.: Физическая мезомеханика № 1/2012г −107 с.
  2.                Матвеенко В. П., Клигман Е. П., Юрлов М. А., Юрлова Н. А.//Управление динамическими характеристиками, контроль формоизменения и вибраций smart-структур с пьезоматериалами.: Вестник нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского № 4–5/2011г −102 с.
  3.                Матвеенко В. П., Клигман Е. П., Юрлов М. А., Юрлова Н. А.//Управление динамическими свойствами механических систем, выполненных из Smart-материалов на основе пьезоэлектриков.: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика № 9/2001г −97 с.
  4.                Юрлова Н. А. //Умные материалы и конструкции: фантастика или реальность? Вестник Пермского научного центра УрО РАН. № 2/2013г. — с.33–48.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle