مقدمه

ساختارهای هوشمند ساختارهایی(سیستمهایی) هستند که تحریکات (اغتشاشات) اعمال شده از داخل یا خارج را حس کرده و اندازهگیری میکنند و با توجه به یک الگوریتم کنترل مناسب، پاسخ مناسبی میدهند. این ساختار میتواند هر سیستم فیزیکی مانند یک ساختمان، یک هواپیما و یا هر سیستم دیگر در نظر گرفته شود. تحقیقات در زمینه ساختارهای هوشمند در طول چند سال اخیر با رشد فراوانی مواجه شده است. این تحقیقات بواسطه تقابل بسیار پیچیده میان علوم و تخصصهای مختلف درگیر در بحث ساختارهای هوشمند بسیار گسترده میباشد. علوم و تخصصهایی که در بحث ساختارهای هوشمند دخالت دارند بطور کلی

١ دانشجوی کارشناسی ارشد کنترل

٢ دکترا کنترل، عضو هیئت علمی

۳ Smart Structures 4 Sensor 5 Actuator
6 Multidisciplinary

١

Archvie of SID

عبارتند از مهندسی مواد، مهندسی کنترل، مهندسی مکانیک و تکنولوﮊیهای متفاوت ساخت و تولید] ۱و۲.[ با توجه به این مطلب مبحث ساختارهایهوشمند،زمینهایکاملاﹰچندتخصصی است]۱و۴.[

امروزه ساختارهای هوشمند به مرور از کاربردهای نظامی به کاربردهای غیرنظامی نیز راه یافتهاند و تاکنون ساختارهای هوشمند متعددی تولید شدهاند و با توجه به پیشرفت سریع تکنولوﮊی و صنعت، ساختارهای هوشمند زیادی نیز در راه هستند و در آیندهای نه چندان دور تمام ساختارها و سیستمهای مورد استفاده بشر بصورت هوشمند خواهند بود. ساختارهایی که دارای سیستم مانیتورینگ وضعیت١ هستند نیز در این خانواده قرار میگیرند. بعلاوه یکی دیگر از موضوعاتی که در زیرمجموعه بحث ساختارهای هوشمند میباشد بحث کنترل فعال ارتعاشات٢ است. تمام سازه ها و سیستمهایی که کنترل فعال ارتعاشات درآنها استفاده شده باشد در واقع در خانواده ساختارهای هوشمند قرار میگیرند. بطورکلی در هر سیستمی که از تکنیکهای کنترل فعال(ارتعاشات، جابجایی، موقعیت، و…) استفاده شدهباشد، میتواند در مجموعه ساختارهای هوشمند قرار گیرد.

مهمترین ویژگیهایی که ساختارهای هوشمند را نسبت به ساختارهای معمولی متمایز میسازد عبارتند از]۳و۷و۸:[

۱. بهبود کیفیت عملکرد ساختار ۲. افزایش طول عمر ساختار

۳. امکان مانیتورینگ شرایط کاری٣ ساختار ۴. جلوگیری از بروز زیانهای شدید در نتیجه ایرادات جزئی

مهمترین کاربردهای ساختارهای هوشمند علاوه بر کاربردهای نظامی و فضایی، کاربرد در صنایع سـاختمانسـازی و پـلسـازی، صنایع حملونقل(عمدتاﹰ راهآهن)، صنایع اتومبیل سازی، صنایع دریایی و … است]۴و۰۱.[

در این مقاله سعی شدهاست بررسی نسبتاﹰ جامعی در مورد ساختارهای هوشمند صورت پـذیرد. البتـه همانطورکـه گفتـه شـد مبحث ساختارهای هوشمند، بحثی چندتخصصی است و داشتن احاطه کامل و همچنین بررسی جزئـی ایـن مبحـث امـری بسـیار دشوار و به عبارتی غیرممکن مینماید چراکه هر کدام از تخصصهای درگیر در این مبحث علومی بسیار گسترده و وسیع هستند. لذا در اینجا سعیشده است هرکدام از بخشهای مختلف تا حد ممکن توضیح داده شود. در بخـش دوم سـاختارهای هوشـمند معرفـی میشوند و تعریف جامعی از یک ساختارهوشمند و بخشهای مختلف آن ارائه میشود. بخش سوم که به معرفی موادهوشمند بعنوان جزﺀاساسی ساختارهای هوشمند میپردازد و ضمن ارائه تعریف جامعی از مواد هوشمند، مواد پیزوالکتریک و فیبرهای نـوری را کـه در سیستمهای مانیتورینگ وضعیت و سیستمهای کنترل فعال ارتعاشات مورد استفاده قرار مـیگیرنـد را بعنـوان دو نمونـه مهـم معرفی میکند. در بخش چهارم این مقاله نمونههایی از ساختارهای هوشمند مورد بررسی قرار میگیرند.

۲- معرفی ساختارهای هوشمند

مهمترین انگیزه انجام تحقیقات در زمینه ایجاد ساختارهای هوشمند و نهایتاﹰ بوجود آمدن ساختارهای هوشمند مسئله انطبـاق٤ است. محاسبات تطبیقی٥، سیستمهای کنترل تطبیقی و مواد سازشپذیر(همان مواد هوشمند که در فصول بعد به تفصـیل معرفـی میشوند) از مهمترین حوزههای تحقیق و پژوهش در مبحث ساختارهای هوشمند میباشد. ساختارهای هوشمند امروزه میروند تـا در بیشتر کاربردها جای ساختارهای معمولی(غیرهوشمند) را بگیرند]۱و۳.[

۱ Condition Monitoring 2Active Vibration Control 3 Condition Monitoring 4 Adaptation 5 Adaptive Computing

٢

Archvie of SID

۲-۱- تعریف ساختارهای هوشمند

ساختارهوشمند یک ساختار(سیستم) فیزیکی غیرزنده است که ویژگیهای زیر را داراست:

۱. هدف تعریف شده ۲. ابزار سختافزاری و نرمافزاری لازم برای دستیابی به این هدف
۳. الگوی رفتاری موجود زنده هدف ساختارهوشمند با توجه به مشخصات دلخواه عملکرد تعریف میشود. موارد مطرح شده در بند۲ نیز با در کنارهم قرارگرفتن
قسمتهای مختلف از جمله حسگر، محرک، خطوط ارتباطی برای اطلاعات١، پردازشگر دادهها، و الگوریتم کنتـرل مخصـوص ایجـاد میشود. در نهایت ساختار با توجه به الگوریتم کنترلی موجود بگونهای عمل میکند که در واقع حتیالامکان رفتار یک موجود زنده را تقلید میکند، بعبارتی رفتاری سازشپذیر با مصرف انرﮊی بصورت بهینـه. بنـابراین و بـا توجـه بـه مطالـب فـوق میتـوان گفـت اصلیترین هدفی که مبحث ساختارهای هوشمند و تحقیقات موجود در این مبحث دنبال میکند آن است که یک ساختار فیزیکی و غیربیولوﮊیکی تا حد ممکن شبیه به یک موجود زنده عمل نماید]۱-۵و۹.[
اگر مراحلی را که یک ساختار معمولی غیر فعال٢(همان سـاختار معمـولی، اصـطلاحی کـه در مقابـل ساختارهوشـمند اسـتفاده میشود) طی میکند تا یک ساختار هوشمند ایجاد گردد را بررسی کنیم، مفهوم ساختارهای هوشمند قابلفهمتر خواهد شد. ایـن روند در شکل(۱) نشان داده شده است. همانطورکه مشاهده میشود هرچه ساختار پیچیدهتر میشود تواناییهای ساختار بـا اضـافه شدن قابلیتهای مانیتورینگ وضعیت٣، نگهداری سلامت٤، بهینهسازی عملکرد، توانایی چندکاره بودن، و … افزایش مییابد]۳.[

ساختار هوشمند ایده آل

بهینه سازی عملکرد

ساختار در این حالت

مانیتورینگ ونگهداری

سلامت کل ساختار چند کاره

توانایی چند کاره بودن

بهینه سازی در ساختار

عملکرد ساختار نگهداری سلامت

ساختار به منظور کاهش تعمیرات توانایی مانیتورینگ وضعیت

ساختار معمولی

شکل۱. روند افزایش کیفیت وپیچیدگی ساختار

۱ Communication 2 Passive Structure 3 Condition Monitoring 4 Health Maintenance

٣

Archvie of SID

در نهایت اگر بخواهیم در یک جمله یک ساختارهوشمند را تعریف کنیم میتوان گفت یک ساختارهوشمند یک ساختار فیزیکـی است با رفتاری تاحد ممکن شبیه به یک موجود زنده که تحریکات ایجاد شده در داخـل و خـارج سـاختار را حـس کـرده و پاسـخ مناسبی به این تحریکات ارائه میدهد.

لازم بذکر است که در برخی منابع ساختارهوشمند را ساختار تطبیقی١ و یا Intelligent Structure نیز مینامند]۶.[

۲-۲- اجزاﺀ سازنده ساختارهای هوشمند

همانطورکه در بخش قبل گفتهشد، ساختارهوشمند برای آنکه بتواند عملکرد مطلوب داشته باشد به ابزار خاصـی نیازمنـد اسـت.

این ابزار به صورت سختافزار(حسگرها، محرکها، خطوط ارتباطی، و پردازشگر دادهها) و نرمافزار(الگوریتم پردازش دادهها وکنترل)

میباشد که با اضافهشدن و قرارگرفتن در کنار ساختارمعمولی(غیرفعال) آنرا به یک ساختارهوشمند تبدیل میکند.

بنابراین سه جزﺀ اصلی برای هر ساختار هوشمند قابل تعریف است:

۱. ساختار اصلی٢(ساختار معمولی و غیرفعال)

۲. مواد هوشمند(حسگرها و محرکها)

۳. کنترلکننده همانطورکه گفته شد یک ساختار هوشمند باید عملکردی همانند رفتار یک موجود زنده داشته باشد. شکل(۲) نشان دهنده تشابه

میان اجزاﺀ مختلف یک ساختارهوشمند با اندام و ارگانهای مختلف یک انسان بعنوان یک موجود زنده را نشان میدهد.

۱. مغز
۱. سیستم کنترل
۲. سنسورها ۳. عضلات
۲. سیستم عصبی
۲.خطوط ارتباطی

٣( Actuator) .محرکها

شکل۲. نمایش بخشهای مشابه در یک ساختارهوشمند(هواپیمای هوشمند) و موجود زنده(انسان)

۱ Adaptive Structure 2 Main Structure

٤

Archvie of SID

۳- معرفی مواد هوشمند

ساختارهای هوشمند دارای کاربردهای متنوعی در عرصههای مختلف میباشند. در تمامی این کاربردها، توانایی حسکردن و اعمال نیرو برای رسیدن به اهداف تعیینشده برای ساختار امری ضروری و اجتناب ناپذیر است. در چندسال اخیر انواع مختلفی از حسگرها و محرکها برای دستیابی به این خواستهها مورد استفاده قرار گرفتهاست(جدول۱). برای کاربردهای اندازهگیری(حس کردن) موادی از قبیل مواد پیزوالکتریک١، فیبرهای نوری، انواع مختلف شتابسنجها٢، استرینگیجها و حتی میکروفنها و انواع دیگری از مواد و سیستمهای اندازهگیری مورد استفاده قرار میگیرد. برای کاربردهای اعمال نیرو مواد و سیستمهایی از قبیل مواد پیزوالکتریک، آلیاﮊهای حافظه شکل٣، مواد Electrorestrictive و Magnetostrictive ، انواع موتورها و … معمولاﹰ مورد استفاده قرار میگیرند]۱۱-۷۱.[ در ادامه این بخش پس از معرفی مواد هوشمند، به بررسی دو نوع ماده هوشمند پرمصرف در ساختارهای هوشمند مانیتورینگ وضعیت و سیستمهای کنترل فعال ارتعاشات میپردازیم.

۳-۱- تعریف مواد هوشمند

مواد هوشمند بطورکلی موادی هستند که به تحریکات محیطی بصورت معین و مشخصشده پاسخ میدهند و پس از از بین رفتن تحریک مجدداﹰ به حالت اولیه خود باز میگردند.

ممکن است بتوان در این تعریف ارائه شده برای مواد هوشمند ایرادی وارد کرد به اینصورت که تعریف فوق را می توان برای مثال برای هر ماده کشسانی نیز بکار برد، آیا میتوان گفت آن ماده نوعی نیز در دسته مواد هوشمند قرار میگیرد؟ در جواب بایـد گفـت که در تعریف ماده هوشمند باید در نظر داشت که اولاﹰ واکنش مواد هوشمند در برابر تحریکات بـر اسـاس قـوانین مرسـوم فیزیکـی نمیباشد بلکه بگونهای منحصر بفرد است و میتواند برای کاربرد خاصی استفاده شود. ثانیاﹰ باید به تعریف فوق این مطلـب را اضـافه کرد که مواد هوشمند تنها به تحریکات مکانیکی واکنش نمیدهند بلکه مواد هوشمند مختلـف عـلاوه بـر تحریکـات مکـانیکی بـه گستره متنوعی از تحریکات مانند تحریکات الکتریکی، شیمیایی، حرارتی، مغناطیسی، نوری و … پاسخ میدهند.

با توجه به این مطالب میتوان گفت که “ماده هوشمند مادهای است که بطور ذاتی توانایی حسکردن، اعمال نیرو، و کنترل را دارد]۵۱.[

Stage of development Smart material types
Early R&D Biomimetic polymers and gels
Late development, early commercialization Chromogenic materials and systems
Early commercialization Conductive polymers
Late development Controllable fluids
Early commercialization Fiber-optic sensor systems
Early commercialization Magnetostrictive materials
Commercial Micromachined electromechanical systems
(MEMS)
Commercial Piezoelectric and electrostrictive ceramics
Commercial Piezoelectric polymers
Commercial Shape-memory alloys and polymers

جدول١. مواد هوشمند مورد استفاده در ساختارهای هوشمند

۱ Piezoelectric Materials 2 Accelerometer 3 Shape Memory Alloys

٥

Archvie of SID

۳-۲- مواد پیزوالکتریک

پدیده پیزوالکتریسیته عبارتست از تولید بار الکتریکی در ماده بر اثر اعمال فشار١ مکانیکی(اثر مستقیم)، وبرعکس، ایجـاد یـک تنش٢ مکانیکی در پاسخ به یک میدان الکتریکی(اثر معکوس). مواد پیزوالکتریک دو دسته کلی هسـتند: پیزوسـرامیکها( ( PZT و

پیزوپلیمرها( PVDF یا PVF2 ٣ ).

کابردهای عمده مواد پیزوالکتریک را بطور خلاصه عبارتند از]۳۱:[

۱.کاربردهای سوئیچینگ : براساس تولید ولتاﮊ در هنگام اعمال فشار(۰۱ولت در برابر فشار انگشت)

۲.کاربرد درتولید صفحه کلید٤ ۳.کاربردهای آکوستیکی : هم بعنوان حسگر و هم بعنوان محرک

۴. کاربرد در سیستمهای زندهیاب٥ : در این کاربرد در واقع از خاصیت منحصر بفرد PVDF هایعنی تولید ولتاﮊ در هنگام قرار گرفتن در برابر اشعه مادونقرمز به نحو مناسب برای تشخیص موجود زنده استفاده میشود.

۵. کاربرد در سیستمهای مانیتورینگ سلامت ساختار: یکی از مهمتـرین کابردهـای عناصـر پیزوالکتریـک در مانیتورینـگ سـلامت ساختارها میباشد. در واقع ساختارهایی که دارای سیسـتم مانیتورینـگ سـلامت هسـتند در رده سـاختارهای هوشـمند قـرار داده میشوند. مانیتورینگ سلامت ساختار با استفاده از حسگرهای پیزوالکتریک براساس تکنیک امپدانس الکترومکانیکی و همچنین بـا استفاده از آثار مستقیم و معکوس پیزوالکتریسیته عناصر PZT انجام میپذیرد. در اینجا از عنصر پیزوالکتریک( ( PZT هم بعنـوان حسگر و هم بعنوان محرک استفاده میشود. با مشاهده طیف تغییرات امپـدانس الکترومکـانیکی عنصـر PZT در طـول یـک بـازه فرکانسی و مقایسه آن با طیف امپدانس الکترومکانیکی مربوط به ساختار سالم و محسبه تفاوت آنها میتوان مانیتورینگ سلامت را انجام داد.

۳-۳- فیبرهای نوری

فیبرهای نوری اولین بار در دهه ۰۶ در صنایع مخابرات مورد استفاده قرارگرفت. یک فیبر نوری یک فیبر شیشهای است که توسط یک روکش٦ فلزی احاطه شدهاست(شکل۳). ضریب شکست روکش بالاتر از ضریب شکست فیبر شیشهای است. هنگامی که یک پرتو نوری به داخل فیبر تابانده میشود یک شکست کلی و داخلی رخ میدهد و و پرتو نور با اتلاف کم در داخل فیبر منتقل میشود. با استفاده از فیبرهای نوری میتوان سیگنال را بدون اتلاف زیاد در فواصل طولانی و بدون نیاز به تقویت منتقل کرد. برای محافظت فیبر در محیط یک پوشش فلزی دور فیبر پیچیده میشود. در بیشتر موارد پوشش از جنس پلیمر ساخته می شود. در موارد خاص نیز از پوششهای فلزی مانند آلومینیوم یا طلا استفاده میشود]۲۱و۴۱و۸۱.[