智能材料與汽車結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測＊

李立軍 孫凌玉 黃彬城 褚艷濤 張一犇

（北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

1 前言

智能化是汽車的重要發(fā)展方向。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring，SHM）可在線探測結(jié)構(gòu)損傷和老化信息，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估、故障診斷和剩余壽命預(yù)測，不但有助于提高結(jié)構(gòu)或設(shè)備的安全可靠性、降低維護(hù)成本、延長使用壽命，而且有利于結(jié)構(gòu)服役信息的采集和優(yōu)化設(shè)計，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。但因缺乏高效、智能的傳感器和執(zhí)行器，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)展緩慢[4-5]。近年來，智能材料（Smart Materials）研究發(fā)展迅速，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中信息采集和損傷修復(fù)提供了一種有效的途徑[6-8]。智能材料指具有感知外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境變化能力的材料，它既可以對變化量進(jìn)行信號采集和分析，實現(xiàn)自我診斷，又可以具有一定的調(diào)節(jié)和修復(fù)能力[9-10]。將成本低、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快的智能材料嵌入或粘貼在汽車結(jié)構(gòu)件上進(jìn)行感知并預(yù)報載荷、缺陷和損傷，通過仿真分析和試驗的驗證，形成具有自監(jiān)測、自診斷、自適應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，對汽車特別是智能汽車的開發(fā)具有重要的工程價值和學(xué)術(shù)意義。本文系統(tǒng)介紹了智能材料的特征和研究進(jìn)展，分析了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的原理和系統(tǒng)組成，綜述了智能材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，提出了基于智能材料的汽車結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究的關(guān)鍵科學(xué)問題和發(fā)展方向。

2 智能材料的特征及研究進(jìn)展

2.1 智能材料定義

智能材料是指對環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）的刺激具有感知能力，并能作出一定反應(yīng)適度響應(yīng)環(huán)境變化的新型材料，環(huán)境刺激通常包括應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁和輻射等。智能材料的概念來源于仿生學(xué)，由日本學(xué)者高木俊宜和美國學(xué)者Newnhain同時提出，目標(biāo)是構(gòu)建類似生物組織那樣具有智能屬性的材料[11-13]。

智能材料具有自傳感（Self-sensing）、自診斷（Selfdiagnosis）、自調(diào)節(jié)（Self-adjusting）和自修復(fù)（Selfrecovery）功能，因此受到世界各國許多專家和學(xué)者關(guān)注，成為材料科學(xué)與工程以及交叉學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點，并開始在醫(yī)療、航空航天、汽車、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。智能材料的種類豐富多樣，主要包括形狀記憶材料、壓電材料、電/磁致伸縮材料、電/磁流變材料、智能光纖、自組裝材料等。其中，形狀記憶材料、碳納米管復(fù)合材料、壓電材料和磁流變彈性體（見圖1）具有性能穩(wěn)定、傳感特性好等優(yōu)點，成為智能材料領(lǐng)域新的研究熱點。

圖1 典型的智能材料示意[14-18]

2.2 形狀記憶材料

形狀記憶材料（Shape-Memory Materials，SMM）是最早被研究并投入應(yīng)用的智能材料之一，主要包括形狀記憶合金（Shape-Memory Alloys，SMA）、形狀記憶陶瓷（Shape-Memory Ceramics，SMC）和形狀記憶聚合物（Shape-Memory Polymer，SMP）[19]，其中典型的SMP材料組成如圖2所示。其優(yōu)點是變形量大、驅(qū)動力大，缺點是響應(yīng)頻率低、帶寬窄、耐久性差。

圖2 形狀記憶類聚合物[19]

為改善形狀記憶材料的疲勞及耐久性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。Carreras等[20]通過試驗發(fā)現(xiàn)熱效應(yīng)對NiTi形狀記憶合金的疲勞壽命有很大影響。Kitamura等[21-22]的研究表明“過應(yīng)力”或“過應(yīng)變”都會減少形狀記憶材料的壽命，因此需要避免過載。馬艷紅等[23]建立了一種形狀記憶合金橡膠的本構(gòu)模型，并通過仿真和實驗對其熱機械行為進(jìn)行了研究。近年來，為拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，需改善記憶材料的吸能性、韌性、剛度和自修復(fù)能力等性能，一些學(xué)者[24-25]嘗試把形狀記憶材料與其他材料組合起來制成形狀記憶混合材料（Shape-Memory Hybrids，SMH），或稱為形狀記憶復(fù)合材料（Shape-Memory Composites，SMC），為形狀記憶材料的研究和應(yīng)用提供了新角度。Pinto等[26]在碳纖維復(fù)合材料中植入形狀記憶合金絲制成了一種先進(jìn)復(fù)合結(jié)構(gòu)，并將其用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)內(nèi)部電阻的變化檢測應(yīng)變和損傷。

2.3 碳納米管復(fù)合材料

碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一種具有優(yōu)異力學(xué)性能和良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力的微材料，其直徑比碳纖維小3個數(shù)量級，將它與其他材料復(fù)合可制成具有壓阻或熱阻特性的智能材料。由于碳納米管可穿過纖維周圍或?qū)娱g的富樹脂區(qū)域，其與纖維增強樹脂基材料復(fù)合時可形成導(dǎo)電逾滲網(wǎng)絡(luò)，作為分散的微型傳感器監(jiān)測損傷的形成和擴(kuò)展。此外，還有碳納米紗線（也稱為碳納米管纖維，見圖3）、碳納米管薄膜等多種應(yīng)用形式。

圖3 碳納米管纖維的制備方法[27]

近年來，碳納米管的自傳感特性與結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測研究受到關(guān)注。Zhang等[28]制成了碳納米管/石墨纖維環(huán)氧樹脂層合板，發(fā)現(xiàn)疲勞載荷下材料的電阻隨裂紋的增加而線性增加，且碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)還具有一定的損傷修復(fù)能力。Gao等[29]研究了碳納米管分散方法和分散狀態(tài)對復(fù)合材料電阻率的影響，提出了表征復(fù)合材料中損傷狀態(tài)的特征參數(shù)——損傷電阻演變率，并采用聲發(fā)射無損檢測方法進(jìn)行了驗證。Abot等[30]把碳納米管紡成碳納米紗線，將其植入復(fù)合材料層合板中，發(fā)現(xiàn)碳納米線對分層損傷很敏感，開展了單獨針對碳納米紗線的準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸試驗，建立了碳納米紗線的應(yīng)變-電阻變化關(guān)系，為應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。Qiu等[31]分析了碳納米管薄膜的形變與拉曼光譜之間的關(guān)系，提出了一種非接觸式應(yīng)變測量技術(shù)，用于測量微尺度下的面內(nèi)應(yīng)變分量。

2.4 壓電材料

壓電材料（Piezoelectric Materials）是一類利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)機械能與電能相互轉(zhuǎn)化的智能材料，原理如圖4所示。壓電效應(yīng)是指電介質(zhì)晶體在機械應(yīng)力的作用下產(chǎn)生極化并形成表面正、負(fù)相反電荷的現(xiàn)象，一般也稱為正壓電效應(yīng)；若外加電場于這類電介質(zhì)晶體上，電場的作用將引起電介質(zhì)內(nèi)部正、負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而導(dǎo)致形變，這種效應(yīng)被稱為逆壓電效應(yīng)[32]。

圖4 壓電傳感器的原理示意[33]

壓電陶瓷（Piezoelectric Ceramics）是最早被開發(fā)且最常用的壓電材料，但其存在變形小、脆性大等缺點。壓電復(fù)合材料（Piezoelectric Composite Materials）是將壓電材料（如壓電陶瓷纖維）與非壓電材料（如環(huán)氧基樹脂）以及交叉電極按一定比例、連通方式和空間幾何分布復(fù)合而成，具有比壓電陶瓷更高的驅(qū)動效率、更靈敏的傳感性能和更強的耐用性能，且柔韌性好，可設(shè)計性強，應(yīng)用前景廣闊[34]。Konka等[35]已證明嵌入式應(yīng)力/應(yīng)變傳感器的分辨率和靈敏度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)應(yīng)變計。

為優(yōu)化壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計，采用數(shù)值仿真和試驗對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)及各組分材料特性進(jìn)行分析和預(yù)測是近年來壓電材料研究的熱點[36]。呂軍等[37]利用基于擴(kuò)展有限元的多尺度數(shù)值方法，模擬和分析壓電復(fù)合材料的熱學(xué)-電學(xué)-力學(xué)行為。Murilo等[38]建立了一種智能壓電復(fù)合材料殼的有限元模型，將這種材料粘貼在鋁制懸臂梁表面進(jìn)行模態(tài)試驗，通過與仿真的對比發(fā)現(xiàn)：這種傳感器可有效監(jiān)測懸臂梁的頻率變化。

2.5 磁流變彈性體材料

磁流變彈性體（Magnetorheological Elastomer，MRE）是一種新型的固態(tài)智能材料，由高分子聚合物基體（如橡膠、樹脂等）和彌散在基體內(nèi)的微米尺度鐵磁性顆粒（如羥基鐵粉）組成（見圖5），在磁場作用下，具有力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能連續(xù)、迅速和可逆變化的機敏特性。

圖5 磁流變彈性體中鐵磁顆粒分布情況[39]

相對于磁流變液，磁流變彈性體克服了液體沉降、泄漏、穩(wěn)定性差等缺點，同時還具有無需密封、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。鐵磁性顆粒要求具有高磁導(dǎo)率、低剩磁和高飽和磁化強度。高磁導(dǎo)率和高飽和磁化強度提供了顆粒間較大的相互作用力，從而有較強的磁流變效應(yīng)；低剩磁的顆粒在磁場消除后不會繼續(xù)吸在一起，從而有可逆的磁流變效應(yīng)[33]。Jolly等[40]制備并測試了硅橡膠基的MRE試樣，發(fā)現(xiàn)在0.8 T的外加磁場下其剪切模量增加了約40%。Chen等[41]以天然橡膠作為基體制備出了相對磁流變效應(yīng)達(dá)133%的MRE試樣。Hu等[42]采用聚氨酯/硅橡膠混合材料作為基體制備出的新型MRE，結(jié)果表明混合膠比單一橡膠具有更高的磁流變效應(yīng)，混合基MRE可能具有很大的研究價值。

針對MRE產(chǎn)品開發(fā)，電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)特性及其相互耦合問題是研究的熱點和難點。Sun等[43-44]制備了新型毫米級顆粒MRE，建立了力-磁耦合的有限元模型，揭示了MRE磁致伸縮作用的機理。Kchit等[45]研究了MRE的磁致電阻與溫度、壓力的關(guān)系。磁流變彈性體除具有磁阻伸縮特性之外，還具有優(yōu)良的磁致電阻特性。Wang等[39]試驗測試發(fā)現(xiàn)：MRE試樣的電阻在磁場或壓縮載荷作用下會出現(xiàn)顯著的變化。李光輝等[46]運用MRE的磁致電阻特性設(shè)計了位移傳感器。Danas等[47]發(fā)現(xiàn)MRE可以產(chǎn)生2倍于巨磁致伸縮材料Terfenol-D合金的磁致伸縮應(yīng)變，這表明MRE是一種十分理想的磁致伸縮執(zhí)行器材料。利用磁流變彈性體的磁致電阻特性和磁致伸縮效應(yīng)可實現(xiàn)傳感器和執(zhí)行器的集成。

3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測指利用粘貼在結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳感器系統(tǒng)實時獲取結(jié)構(gòu)對外部激勵（人為或者環(huán)境）的響應(yīng)，從而探測和預(yù)報結(jié)構(gòu)的損傷和老化信息，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全可靠性評估的過程，可避免事故發(fā)生[48]。該研究方向綜合了材料學(xué)、力學(xué)、機械學(xué)、計算機、電子學(xué)、仿生學(xué)、信息技術(shù)、控制論等多學(xué)科知識[49]，屬于交叉研究領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要內(nèi)容包括載荷監(jiān)測、損傷定位、損傷分析、結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測乃至結(jié)構(gòu)的自我修復(fù)。目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已在橋梁、體育場館、飛機等大型建筑物和結(jié)構(gòu)中得到了應(yīng)用（見圖6），但在汽車等小型載運工具中的應(yīng)用非常少，一方面是受傳感器和執(zhí)行器尺寸和精度的限制，另一方面是源于復(fù)雜多變的載荷環(huán)境的挑戰(zhàn)，當(dāng)然也有成本的原因。

圖6 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究的應(yīng)用領(lǐng)域[50]

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)一般包括[51-52]：

a.傳感系統(tǒng)。安裝在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)表面或嵌入其內(nèi)部，將待測物理量轉(zhuǎn)化為電信號、磁信號、光信號等。

b.數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。收集傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理。

c.通訊系統(tǒng)。將處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

d.監(jiān)控中心和報警系統(tǒng)。利用具備診斷功能的軟、硬件對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)定的損傷模型，判斷損傷的發(fā)生、位置和程度，對結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行評估，如果發(fā)現(xiàn)異常，則發(fā)出報警信息。

損傷識別、損傷分析和損傷預(yù)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能和研究難點。目前，纖維增強樹脂基復(fù)合材料憑借著比強度、比剛度高，可設(shè)計性強，耐腐蝕性好等優(yōu)點，在汽車輕量化中應(yīng)用越來越多，但各向異性的特點使其結(jié)構(gòu)的損傷和失效模式復(fù)雜多樣，因此纖維增強復(fù)合材料的損傷監(jiān)測是亟待解決的問題。將智能材料自診斷、自傳感特性與損傷研究相結(jié)合，實現(xiàn)在線損傷識別和定位，利用智能材料的自修復(fù)性能完成結(jié)構(gòu)初始損傷的修復(fù)，并將其應(yīng)用于汽車等小型載運工具中以保障結(jié)構(gòu)和乘員安全，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要發(fā)展方向。

4 智能材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

因發(fā)展前景廣闊，歐美等國家的學(xué)者在20世紀(jì)80年代已開始進(jìn)行智能材料在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究，并在飛機、汽車等領(lǐng)域嘗試使用。我國智能材料與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測結(jié)合的研究起步于20世紀(jì)90年代，經(jīng)20多年的發(fā)展，取得了許多成果，推動了健康監(jiān)測的應(yīng)用。

在汽車工業(yè)中，智能材料的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了很多成果，例如：形狀記憶材料用于進(jìn)行電池管理、發(fā)動機溫度控制、車門解鎖等[53-54]；磁流變材料用于汽車減振器、碰撞吸能保護(hù)器件、發(fā)動機懸置等[55-57]。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車的輪胎氣壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、制動摩擦片溫度、電池組狀態(tài)等已經(jīng)可以通過無線或者有線的方式實現(xiàn)監(jiān)測[58-60]。對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機動力鋼制汽車來說，經(jīng)過多年的應(yīng)用和試驗，鋼鐵材質(zhì)的零部件在汽車工業(yè)中的設(shè)計和生產(chǎn)已經(jīng)比較成熟，其安全性也得到了認(rèn)可，所以傳統(tǒng)的汽車對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)幾乎沒有需求，導(dǎo)致汽車領(lǐng)域的健康監(jiān)測研究很少。

但是，在安全、環(huán)保、輕量化和智能化已經(jīng)成為汽車發(fā)展的目標(biāo)和方向的背景下，以纖維增強復(fù)合材料、鋁合金、鎂合金等輕量化材料混合應(yīng)用的電動車為代表的新型汽車快速發(fā)展，車架中異種材料連接處失效、傳動軸斷裂、電池箱破損等都可能造成災(zāi)難性的后果[61-63]。國內(nèi)外的一些高校、研究機構(gòu)和汽車企業(yè)嘗試應(yīng)用智能材料進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究。德國寶馬汽車公司在某新型復(fù)合材料車身的研發(fā)階段，將壓電材料埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，用于監(jiān)測其結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中的損傷[64]。Mitschang[65]等使用一種碳纖維線智能材料（IVW-CF）進(jìn)行了汽車?yán)w維增強復(fù)合材料板類零件的損傷監(jiān)測研究，通過電阻的變化可以較準(zhǔn)確地判斷損傷的程度。Medeiros[66]等提出并試驗驗證了一種基于振動分析和壓電智能傳感器的汽車復(fù)合材料氣瓶低速沖擊損傷健康監(jiān)測方法。周偉等[67]使用光纖智能材料構(gòu)建了分布式光纖智能夾層傳感網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行了某輕型貨車車架在彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力應(yīng)變變化監(jiān)測研究，并與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對比驗證。蘆吉云[68]采用光纖智能材料對該車型車架進(jìn)行了振動和瞬時沖擊工況的監(jiān)測研究。鄧國紅等[69]基于壓電陶瓷智能材料進(jìn)行了汽車車身振動的監(jiān)測和控制研究。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于輕量化汽車，尤其是復(fù)合材料汽車來說，將智能材料的自傳感、自診斷特性與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)和損傷數(shù)值計算結(jié)合，形成如圖7所示的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，既可以增強汽車的可靠性，又能提高其智能化水平，具有重要的工程價值和學(xué)術(shù)意義[70]。

圖7 汽車結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組成示意

5 結(jié)束語

智能材料除具備承受載荷的力學(xué)性能外，還有自傳感、自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)功能，這些特性為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究提供了新的途徑。從國內(nèi)外研究情況來看，智能材料可應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的4個方面：結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、損傷、疲勞、腐蝕等信息的獲取與傳遞；結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)，如損傷自愈合、溫度自調(diào)節(jié)、變形控制等；結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測，減振與噪聲控制；能量收集和存儲。

由于智能材料和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測都是學(xué)科交叉性很強的研究領(lǐng)域，涉及材料、機械、力學(xué)、信號識別、自動控制、電磁學(xué)、計算機技術(shù)等學(xué)科，科研難度很大，目前相關(guān)研究僅處于初級階段，許多關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題有待深入研究。具體來說，未來研究工作可關(guān)注以下幾個方面：

a.制備大應(yīng)變、大驅(qū)動力、高響應(yīng)速度、低成本、性能穩(wěn)定的新型智能材料，并將其應(yīng)用于智能型傳感器與執(zhí)行器的開發(fā)和制造；

b.開展智能材料力學(xué)及傳感性能的數(shù)值仿真研究，提出經(jīng)濟(jì)高效的損傷量化方法；

c.建立適用于智能材料系統(tǒng)的仿生控制、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的自適應(yīng)模型的理論及方法；

d.開發(fā)新型復(fù)合智能材料，并進(jìn)行基體與智能材料界面的多尺度研究，以提高復(fù)合智能材料的耐久性與可靠性；

e.針對汽車承力結(jié)構(gòu)件的連接處，尤其是碳纖維復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)，使用智能材料開發(fā)出占用空間更小，質(zhì)量更輕的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

這些方面的研究，對于提高汽車的安全性和智能化水平、防止事故發(fā)生、降低維護(hù)成本等具有重要意義。

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