Активная структура (также известная как интеллектуальная или адаптивная структура ) — это механическая структура, способная изменять свою конфигурацию, форму или свойства в ответ на изменения окружающей среды.
Термин активная структура также относится к структурам , которые, в отличие от традиционных инженерных сооружений (например, мостов, зданий), требуют постоянного движения и, следовательно, подачи энергии для сохранения устойчивости. Преимущество активных структур в том, что они могут быть гораздо более массивными, чем традиционная статическая структура : примером может служить космический фонтан , здание, которое достигает космоса.
Результатом деятельности является структура, более подходящая для типа и величины нагрузки, которую она несет. Например, изменение ориентации балки может снизить максимальный уровень напряжения или деформации, в то время как изменение формы может сделать структуру менее восприимчивой к динамическим вибрациям. Хорошим примером адаптивной структуры является человеческое тело, в котором скелет несет широкий спектр нагрузок, а мышцы изменяют свою конфигурацию, чтобы сделать это. Рассмотрите возможность ношения рюкзака. Если бы верхняя часть тела не отрегулировала центр масс всей системы слегка наклонившись вперед, человек упал бы на спину.
Активная структура состоит из трех неотъемлемых компонентов, помимо несущей части. Это датчики , процессор и исполнительные механизмы . В случае человеческого тела сенсорные нервы являются датчиками, которые собирают информацию об окружающей среде. Мозг действует как процессор, чтобы оценить информацию и решить действовать соответствующим образом, и, следовательно, дает команду мышцам, которые действуют как исполнительные механизмы, чтобы реагировать. В тяжелом машиностроении уже появилась тенденция включать активацию в мосты и купола, чтобы минимизировать вибрации под воздействием ветра и землетрясений .
Авиационная и аэрокосмическая инженерия были основной движущей силой в разработке современных активных структур. Самолеты (и космические аппараты ) требуют адаптации, поскольку они подвергаются воздействию множества различных сред и, следовательно, нагрузок в течение своего срока службы. Перед запуском они подвергаются воздействию гравитации или статического груза, во время взлета они подвергаются экстремальным динамическим и инерционным нагрузкам, а в полете они должны находиться в конфигурации, которая минимизирует сопротивление, но способствует подъемной силе. Много усилий было вложено в адаптивные крылья самолетов , чтобы создать такое, которое может контролировать разделение пограничных слоев и турбулентность. Многие космические конструкции используют адаптивность, чтобы выдерживать экстремальные экологические проблемы в космосе или достигать точных значений. Например, космические антенны и зеркала могут быть активированы для точной ориентации. По мере развития космических технологий некоторое чувствительное оборудование (а именно интерферометрические оптические и инфракрасные астрономические приборы) должны иметь точность положения, достигающую нескольких нанометров , в то время как поддерживающая активная конструкция имеет размеры в десятки метров.
Приводы, созданные человеком, существующие на рынке, даже самые сложные, почти все одномерны. Это означает, что они способны только расширяться и сжиматься вдоль или вращаться вокруг 1 оси. Приводы, способные двигаться как в прямом, так и в обратном направлении, известны как двусторонние приводы, в отличие от односторонних приводов, которые могут двигаться только в одном направлении. Ограниченные возможности приводов ограничили активные структуры двумя основными типами: активные ферменные конструкции , основанные на линейных приводах, и манипуляторы , основанные на вращательных приводах.
Хорошая активная структура имеет ряд требований. Во-первых, она должна легко приводиться в действие. Приведение в действие должно быть энергосберегающим. Поэтому нежелательна очень жесткая и сильно сопротивляющаяся морфингу структура. Во-вторых, полученная структура должна иметь структурную целостность, чтобы выдерживать проектные нагрузки. Поэтому процесс приведения в действие не должен ставить под угрозу прочность структуры. Точнее, мы можем сказать: мы ищем активную структуру, в которой приведение в действие некоторых элементов приведет к изменению геометрии без существенного изменения ее напряженного состояния. Другими словами, структура, которая имеет как статическую определенность , так и кинематическую определенность, является оптимальной для приведения в действие.
Технология активного управления применяется в гражданском строительстве, машиностроении и аэрокосмической технике. Хотя большинство гражданских инженерных сооружений являются статическими, активное управление используется в некоторых гражданских сооружениях для развертывания против сейсмической нагрузки, ветровой нагрузки и вибрации окружающей среды. [1] Также активное управление предлагается использовать для целей устойчивости к повреждениям, где вмешательство человека ограничено. [2] Коркмаз и др. продемонстрировали конфигурацию системы активного управления для устойчивости к повреждениям и развертывания моста. [3]