[科普中国]-刚度控制

刚度控制，是指掌握住材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，不越出操纵的范围。

塔机静刚度控制值及计算方法提出了塔机静刚度的合理控制值，并结合实测数据对所推荐的静刚度控制值进行了论证，同时给出了与该控制值相对应的理论计算公式。1

对塔机静刚度控制值的修订意见由于高强度钢的普遍使用，结构的强度及稳定性已不难满足，结构的刚度要求正成为制约塔机向轻量化发展的重要指标。修订后的塔机静刚度控制值不仅要满足产品开发的需要，还应适应发展。针对实际情况，要保证塔机产品的质量，使塔机的设计和检测有据可依，适当放宽塔机静刚度控制值是必然趋势。

提出了拟推荐的塔机静刚度控制值及对应的检测方法，即以空载状态下臂根铰点的位置(此时相对于未变形时塔身理论中心线有一后倾位移，塔机静位移)为基准，吊载后臂根铰点的绝对位移Δx作为静位移测量值，用该值来衡量塔机的静刚度。文献建议与此测量方法对应的静位移控制值为Δx≤1.33H/100，即静刚度控制值比“规范”中的控制值增大1/3。

放大塔机静刚度控制值(1.34H/100)，可以降低塔机成本，使塔机向轻量重载化发展，利于行业的技术进步。1

塔机静刚度控制值合理性验证为使修订后的塔机静刚度控制值能真实地反映当前塔机静刚度的实际情况，专题研究组对正在使用寿命期限内并具有代表性的20种型号塔机的静刚度进行了实测(45种不同型号的塔机塔身静刚度实测值及原控制值)。结果表明，按现行测量方法，并满足现行“规范”中静刚度控制值H/100的塔机，只有一种型号，占5%；而静刚度测量值不大于1.34H/100的有15个，占75%。由此可见，适当放大塔机静刚度控制值，能使大多数满足使用要求的塔机通过检测部门的验收。1

与静刚度控制值对应的计算方法静位移计算方法可采用传统力学方法或有限元法，传统力学方法的计算模型有实体压弯杆件力学模型和格构式桁架力学模型，简单实用，精度略高但计算繁琐。实体压弯杆件力学模型可得到与静位移测量值相对应的理论计算值，因按测量方法，塔机自重载荷引起的弯矩在空载及吊载两种状态下理论上可完全相抵，又因测量静位移时不考虑风载及其它水平载荷，故计算模型中只有垂直载荷N及吊重引起的弯矩M，其挠曲杆的微分方程可得到塔身顶部静位移的精确计算。1

形状记忆合金的结构刚度控制研究了基于形状记忆合金的平板结构刚度控制方法，提出了驱动器在平板上的布置形式。通过建立分析有限元模型并结合实验验证控制效果，在此基础上进一步采用遗传优化算法对驱动器布局方式进行优化，优化后的布置方案可实现利用较少的SMA驱动器提高刚度控制效果，为利用形状记忆合金实现对结构的刚度控制提供参考和借鉴。2

形状记忆合金用于刚度控制原理由前面气动加热的热模态仿真可以看出弹体结构在气动加热环境下刚度降低主要归结为两个方面：

1、温度导致的材料软化问题。常规金属材料的机械性能随温度的升高会降低，是结构刚度变化的主要因素；

2、温度梯度及边界条件导致的热应力。当热应力在结构中表现为压应力时，会降低结构刚度。随着热应力的增大，进一步可能引起结构的热屈曲，改变结构振动模态。针对热环境下结构刚度下降的两个因素，刚度控制原理方案可以采用：

(1)弹体结构采用弹性模量随温度升高的材料，消除材料软化的影响；

(2)在结构中消除热应力的影响或引入拉应力，提高结构的刚度。把形状记忆合金埋入结构中，通过温度驱动可以实现对结构的刚度主动控制。形状记忆合金实现对结构的控制主要利用其两个特性：

1、在温度、应力作用下，形状记忆合金可以在两相中自由转换，研究表明，高温奥氏体下形状记忆合金的弹性模量可达低温马氏体下的2-3倍，把其作为结构材料中对其施加温度进行主动控制可以有效的改变材料特性，实现性能控制。这种控制称为主动性能调整(ActiveProperties Tuning, 简称APT)。

2、利用形状记忆合金材料具有形状记忆效应(SME)，相变时受约束会产生很大的回复应力，回复控制材料的这种特性称为主动应变能调整(Active Strain Energy Tuning，简称ASET)。形状记忆合金的主动性能调整(APT)主要利用其相变过程中杨氏模量的变化来调节结构的性能，材料在埋入基体前未经过拉伸变形，在控制过程中SMA不产生或产生很小的回复应力，这样既可以达到主动控制目的，又能不产生很大内力；而主动应变能能调整(ASET)主要依靠布置经过预拉伸的SMA，有预应变的SMA单元使结构内部处于一种残余应变的状态，通过应变能的变化来实现改变结构的能量平衡而达到主动控制的目的。由于采用APT控制需要在结构中埋入大量的记忆合金材料，相对于ASET只需要产生较大的回复应力，ASET的效率更高。

形状记忆合金通过温度进行驱动，响应速度受限于其加热与冷却速度，一般比较慢，很难应用于瞬态控制，可采用经过预拉伸的形状记忆合金丝布置在结构上，在控制时对形状记忆合金丝通电流加热，引起马氏体到奥氏体相变，塑性变形消失，弹性模量增大，由于约束的作用产生回复应力，可以改变结构的内力分布，实现刚度控制。2

控制策略高速飞行器上的气动加热会使结构的温度远远超过形状记忆合金的奥氏体结束温度，考虑到SMA的相变与温度有关，把其运用于热结构设计中有很大的优势。一方面其采用被动控制形式，不需要独立的控制系统，大大降低了系统的复杂性；另一方面，在结构设计中采用特定的SMA布置形式，可以形成适应温度变化的变刚度结构，自发地调节性能，满足不同工作状态。

针对结构刚度控制，基于形状记忆合金的特性提出几个结构刚度控制方法：

1、弹体结构中对刚度影响较大的部位采用形状记忆合金材料(如加强筋)，当这样在气动热作用下，由于形状记忆合金材料的弹性模量随温度增加，可以有效的提高结构刚度。但这种方法需要布置大量的形状记忆合金在结构中，很难进行实际应用；

2、把形状记忆合金纤维埋入层合板中形成形状记忆合金增强复合材料 (Shape MemoryAlloy Hybrid Composite，简称SMAHC)来实现对结构进行控制。SMA纤维在埋入前需要拉伸至塑性变形，加热过程中由于两端被约束住，无法回到其原先的长度，将会产生很大的回复应力，利用这种回复应力作为驱动力可以实现对结构的控制，也可以改变结构的内力分布和刚度特性。同时SMA本身的弹性模量在相变过程中也会发生很大变化，可以有效地改变结构刚度。

3、与制成复合材料不同，在结构中离散地布置预拉伸的形状记忆合金丝，对其施加温度进行主动控制，在结构局部产生驱动力，改变结构内部的应力状态，实现刚度控制。采用主动应变能调整对结构进行刚度控制，利用形状记忆合金丝驱动器埋入结构中进行加热驱动控制，以固有频率的变化反映结构刚度变化。2

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学