剛度控制，是指掌握住材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力，不越出操縱的範圍。
基本介紹
- 中文名：剛度控制
- 外文名：Stiffness control
- 套用：機械
塔機靜剛度控制值及計算方法,對塔機靜剛度控制值的修訂意見,塔機靜剛度控制值合理性驗證,與靜剛度控制值對應的計算方法,形狀記憶合金的結構剛度控制,形狀記憶合金用於剛度控制原理,控制策略,
塔機靜剛度控制值及計算方法
對塔機靜剛度控制值的修訂意見
由於高強度鋼的普遍使用，結構的強度及穩定性已不難滿足，結構的剛度要求正成為制約塔機向輕量化發展的重要指標。修訂後的塔機靜剛度控制值不僅要滿足產品開發的需要，還應適應發展。針對實際情況，要保證塔機產品的質量，使塔機的設計和檢測有據可依，適當放寬塔機靜剛度控制值是必然趨勢。
提出了擬推薦的塔機靜剛度控制值及對應的檢測方法，即以空載狀態下臂根鉸點的位置(此時相對於未變形時塔身理論中心線有一後傾位移，塔機靜位移)為基準，吊載後臂根鉸點的絕對位移Δx作為靜位移測量值，用該值來衡量塔機的靜剛度。文獻建議與此測量方法對應的靜位移控制值為Δx≤1.33H/100，即靜剛度控制值比“規範”中的控制值增大1/3。
放大塔機靜剛度控制值(1.34H/100)，可以降低塔機成本，使塔機向輕量重載化發展，利於行業的技術進步。
塔機靜剛度控制值合理性驗證
為使修訂後的塔機靜剛度控制值能真實地反映當前塔機靜剛度的實際情況，專題研究組對正在使用壽命期限內並具有代表性的20種型號塔機的靜剛度進行了實測(45種不同型號的塔機塔身靜剛度實測值及原控制值)。結果表明，按現行測量方法，並滿足現行“規範”中靜剛度控制值H/100的塔機，只有一種型號，占5%；而靜剛度測量值不大於1.34H/100的有15個，占75%。由此可見，適當放大塔機靜剛度控制值，能使大多數滿足使用要求的塔機通過檢測部門的驗收。
與靜剛度控制值對應的計算方法
靜位移計算方法可採用傳統力學方法或有限元法，傳統力學方法的計算模型有實體壓彎桿件力學模型和格構式桁架力學模型，簡單實用，精度略高但計算繁瑣。實體壓彎桿件力學模型可得到與靜位移測量值相對應的理論計算值，因按測量方法，塔機自重載荷引起的彎矩在空載及吊載兩種狀態下理論上可完全相抵，又因測量靜位移時不考慮風載及其它水平載荷，故計算模型中只有垂直載荷N及吊重引起的彎矩M，其撓曲桿的微分方程可得到塔身頂部靜位移的精確計算。
形狀記憶合金的結構剛度控制
研究了基於形狀記憶合金的平板結構剛度控制方法，提出了驅動器在平板上的布置形式。通過建立分析有限元模型並結合實驗驗證控制效果，在此基礎上進一步採用遺傳最佳化算法對驅動器布局方式進行最佳化，最佳化後的布置方案可實現利用較少的SMA驅動器提高剛度控制效果，為利用形狀記憶合金實現對結構的剛度控制提供參考和借鑑。
形狀記憶合金用於剛度控制原理
由前面氣動加熱的熱模態仿真可以看出彈體結構在氣動加熱環境下剛度降低主要歸結為兩個方面：
1、溫度導致的材料軟化問題。常規金屬材料的機械性能隨溫度的升高會降低，是結構剛度變化的主要因素；
2、溫度梯度及邊界條件導致的熱應力。當熱應力在結構中表現為壓應力時，會降低結構剛度。隨著熱應力的增大，進一步可能引起結構的熱屈曲，改變結構振動模態。針對熱環境下結構剛度下降的兩個因素，剛度控制原理方案可以採用：
(1)彈體結構採用彈性模量隨溫度升高的材料，消除材料軟化的影響；
(2)在結構中消除熱應力的影響或引入拉應力，提高結構的剛度。把形狀記憶合金埋入結構中，通過溫度驅動可以實現對結構的剛度主動控制。形狀記憶合金實現對結構的控制主要利用其兩個特性：
1、在溫度、應力作用下，形狀記憶合金可以在兩相中自由轉換，研究表明，高溫奧氏體下形狀記憶合金的彈性模量可達低溫馬氏體下的2-3倍，把其作為結構材料中對其施加溫度進行主動控制可以有效的改變材料特性，實現性能控制。這種控制稱為主動性能調整(ActiveProperties Tuning, 簡稱APT)。
2、利用形狀記憶合金材料具有形狀記憶效應(SME)，相變時受約束會產生很大的回覆應力，回復控制材料的這種特性稱為主動應變能調整(Active Strain Energy Tuning，簡稱ASET)。形狀記憶合金的主動性能調整(APT)主要利用其相變過程中楊氏模量的變化來調節結構的性能，材料在埋入基體前未經過拉伸變形，在控制過程中SMA不產生或產生很小的回覆應力，這樣既可以達到主動控制目的，又能不產生很大內力；而主動應變能能調整(ASET)主要依靠布置經過預拉伸的SMA，有預應變的SMA單元使結構內部處於一種殘餘應變的狀態，通過應變能的變化來實現改變結構的能量平衡而達到主動控制的目的。由於採用APT控制需要在結構中埋入大量的記憶合金材料，相對於ASET只需要產生較大的回覆應力，ASET的效率更高。
形狀記憶合金通過溫度進行驅動，回響速度受限於其加熱與冷卻速度，一般比較慢，很難套用於瞬態控制，可採用經過預拉伸的形狀記憶合金絲布置在結構上，在控制時對形狀記憶合金絲通電流加熱，引起馬氏體到奧氏體相變，塑性變形消失，彈性模量增大，由於約束的作用產生回復應力，可以改變結構的內力分布，實現剛度控制。
控制策略
高速飛行器上的氣動加熱會使結構的溫度遠遠超過形狀記憶合金的奧氏體結束溫度，考慮到SMA的相變與溫度有關，把其運用於熱結構設計中有很大的優勢。一方面其採用被動控制形式，不需要獨立的控制系統，大大降低了系統的複雜性；另一方面，在結構設計中採用特定的SMA布置形式，可以形成適應溫度變化的變剛度結構，自發地調節性能，滿足不同工作狀態。
針對結構剛度控制，基於形狀記憶合金的特性提出幾個結構剛度控制方法：
1、彈體結構中對剛度影響較大的部位採用形狀記憶合金材料(如加強筋)，當這樣在氣動熱作用下，由於形狀記憶合金材料的彈性模量隨溫度增加，可以有效的提高結構剛度。但這種方法需要布置大量的形狀記憶合金在結構中，很難進行實際套用；
2、把形狀記憶合金纖維埋入層合板中形成形狀記憶合金增強複合材料 (Shape MemoryAlloy Hybrid Composite，簡稱SMAHC)來實現對結構進行控制。SMA纖維在埋入前需要拉伸至塑性變形，加熱過程中由於兩端被約束住，無法回到其原先的長度，將會產生很大的回覆應力，利用這種回復應力作為驅動力可以實現對結構的控制，也可以改變結構的內力分布和剛度特性。同時SMA本身的彈性模量在相變過程中也會發生很大變化，可以有效地改變結構剛度。
3、與製成複合材料不同，在結構中離散地布置預拉伸的形狀記憶合金絲，對其施加溫度進行主動控制，在結構局部產生驅動力，改變結構內部的應力狀態，實現剛度控制。採用主動應變能調整對結構進行剛度控制，利用形狀記憶合金絲驅動器埋入結構中進行加熱驅動控制，以固有頻率的變化反映結構剛度變化。
