CN101175982A - 影响技术结构的机械承载能力和/或负载的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于影响技术结构的机械承载能力和/或负载的方法和装置。本发明包括以下步骤：检测所述结构的至少一个与负载相关的特征；基于所述至少一个检测的特征确定所述结构的负载状态；评价所述结构的负载状态；并基于所述负载状态的评价以及至少一个目标功能产生至少一个信号，其中所述目标功能至少设定成优化所述结构的寿命，所述信号发送到至少一个致动器，所述致动器整合在所述结构内或施加至所述结构，以便为了影响所述负载状态而启动所述致动器。

Description

影响技术结构的机械承载能力和/或负载的方法和装置

背景技术

现代机械结构，例如支承结构或实现类似功能的单元，在大多数情况中必须满足至少两个矛盾的设计准则，也就是说，一方面，具有尽可能轻的结构，另一方面，根据动态和静态负载影响，具有尽可能高的承载能力。传统的、即纯被动构造的结构通过选择合适的材料以及合适的结构设计仅仅部分地满足这些要求。因此，针对材料，限制了材料的选择，并且可限定的结构经受静态和动态承载能力限制，超过限制的话，可导致不可逆的结构损害，显著减小机械结构的总使用寿命。为了减少上述负载问题，机械结构或通过机器制造的结构被专门设计成，它们的尺寸过大，从而它们可以短期的情况中无损害地承受临时负载或负载峰值。然而，采取该措施提高了结构的重量以及成本。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种用于影响技术结构的机械承载能力和/或负载的装置和方法，从而以具有恒定承载能力的方式将已知结构设计得较轻，或者在恒定质量或重量的前提下改进或提高结构的承载能力。另一个目的是，通过合适的措施，针对技术结构的机械设计而优化技术结构，例如，制造具有合适寿命的较轻的结构，例如经典设计的结构。

本发明所基于的目的在权利要求1中说明。权利要求12的主题涉及本发明的装置。有利地进一步发展本发明内容的各特征构成从属权利要求的主题，并且特别地参照示意性实施例可从说明书中推导出。

用于影响技术或机械结构或结构系统的机械承载能力的本发明的内容是基于适应性的基本原理，因而在第一步骤中，通过传感器的方式检测结构的至少一个与负载相关的特征、优选机械特征而检测结构当前的负载状态，其中所述特征在结构上的静态和/或动态负载影响下变化。基于该至少一个检测的特征确定结构的负载状态。在这种情况中，数据库或存储的资料被访问，其中在所述数据库或资料中存储结构的负载状态，所述存储的负载状态所关注的特征在于至少一个特征，并且优选已经通过修正基准测量装置之前被获得，并且特征在于可由所述测量装置检测的至少一个特征。专家资料的使用也是可想到的。以这种方式，通过评价特征的测量值，得到结构当前的状态。

在下一步骤中，必须根据操作强度方法和工艺评价结构的所检测的负载状态，特别关于被认为重要的并且结构在最大可容忍负载作用下承受的负载状态，也就是说，被认为重要的该负载状态超过的话将导致不可逆的结构损害。在上下文中，程度或尺寸优选被确定为描述结构的所谓的残余承载能力，当达到或超过时，导致对于结构的局部或全局不可逆的损害。

基于所评价的负载状态，并在至少一个目标功能被指定时，其中所述目标功能至少包括被指定为最大化所述结构的寿命的状态或标准，产生至少一个信号，所述信号被发送到整合在所述结构内或施加至所述结构的至少一个致动器，因而影响所述结构的负载状态。通过优选整合在结构内的致动器的合适的启动而影响负载状态，从而延长结构的寿命，其中取决于情况，通过致动器作用在结构上的动作可以实现减载，也可以实现加载。例如，如果目的是提高结构的抵抗外部施加载荷的稳定性和相关的属性，则合适选择的致动器可以加强或强化所关注的特定结构区域。在另一方面，通过以下方式可以有助于结构寿命的增加，特别地扰动结构的特定区域或将它们转换至特定的状态，从而防止例如由于外部作用在结构上的高频交替负载造成的裂缝形成或脆裂现象。

在特定优选方法的改型中，通过借助于主动控制的方式合适启动连接至结构的、也就是整合在结构内或施加至结构的致动器而影响负载状态，也就是，通过致动器直接在结构上的动作实时地通过传感器的方式被检测，并且借助于增加结构寿命的目标功能被评价，从而最终具体地控制致动器的启动。

取决于将被考虑的结构的材料和结构设计，多个致动器优选整合在结构中或施加至结构，优选处于结构经受由外部负载影响的特定高负载、也就是极高材料负载和相关的疲劳现象的区域。在使用与结构相连的多个致动器时，必须整体评价结构的负载状态，从而控制所有单个致动器的启动，并且考虑整个结构上的所有致动器的相互影响。

作为连接至如上所述结构的致动器的主动控制启动的一种可选方式，所谓的半主动影响还提供了影响技术结构的机械承载能力的可能性。在这种情况中，利用致动器，所述致动器的致动行为专门针对特定的致动器任务。不像通过合适的供能与控制信号操作致动器的主动控制方式，半主动操作的致动器以没有外部能量供应的方式操作。在此，致动器不仅用作为主动引入机械负载，还用作为能量转换器，将由结构的负载所造成的作用在结构中的机械能优选转换成电能，从而该电能现在可以在相连的电路内被处理。例如，可以以这种方式构造振荡电路或建立能量回收系统。

大体上，这种致动器系统具有转换器材料，所述转换器材料适于将能量在不同的能量形式之间进行转换。这种转换器材料的优选实例为压电材料，例如压电陶瓷、无铅压电陶瓷，形状记忆合金(SMA材料)，以及电流变流体或电致动聚合物。例如，公知这样一种方法，借助于外部能量供应影响这种转换器材料的材料刚度和阻尼特性。取决于转换器材料，外部能量供应可以是电学方式、热学方式或磁的方式。在这种转换器材料中的相反的变形导致了电能的产生，例如，可以以上述方式通过传感器的方式或半主动的方式被转换。

因此，本发明的方法是基于适应性的基本原理，并且将所述理论与技术结构的操作强度的方面结合，其中技术结构的机械负载状态被检测和评价，并且出于增加结构寿命的目的，致动器主动地或半主动地影响所关注的结构的负载状态。明显地，通过合适的措施可以使实现针对结构机械设计的优化，例如实现具有合适寿命的较轻的结构，例如经典设计的结构。

以这种方式，基于由合适的传感器所检测的当前的和累积的负载特征可以评价技术结构的利用程度或寿命消耗，并且借助于连接至和/或整合在结构内的一个或多个致动器可以实现在技术结构内存在的负载条件下的能量流的积极的惠及寿命的影响。基于增加寿命的目标功能通过所安装的致动器致动连接至和/或整合在结构中的至少一个致动器，通过这样，在多个致动器被使用成以分布方式安装在结构上和/或结构中时，在较长时间内消耗的施加至结构特定区域的负载(静态或动态地作用在结构上)例如通过主动控制特定的致动器被减小，例如通过能量反射，而在较短时间内消耗的施加至结构特定区域的负载通过主动控制能量传输而被增加。通过合适选择并致动赋予致动器的机械阻抗，可以舍弃遭受较大弱化或损害的结构的区域，并且可以更加重载地加载较少使用的结构的区域。技术结构内的主动控制负载重新分布的本发明的内容因此提出了更靠近增加系统寿命的目的或灵巧轻便结构的目的的决定性步骤，尽管存在关于系统可靠性和操作强度的恒定的或甚至改进的安全因素。

借助于本发明的方法可以避免在短期和很少有负载评价的情况中如果应用的话、可出现的为了避免材料过载而导致的现有技术的结构部件的尺寸过大。实际上，本发明的主动结构影响允许控制监控经过结构的优选所有与负载有关的能量流，从而作用操作负载或因而在结构内造成的负载状态的反应不同，从而抵抗负载，并且最终延长寿命。

为了实现如上所述用于影响技术结构的机械承载能力的方法，被设计用于此目的的本发明的装置提供至少一个传感器，所述传感器整合至结构或施加至结构，并且产生与负载相关的传感器信号，所述传感器信号优选基于结构在静态和/或动态负载的影响下经受的结构变形而改变。由转换器材料组成或具有转换器材料的传感器优选适于该目的，所述传感器产生表示所述传感器的当前伸展状态的电信号。借助于至少一个传感器所得到的传感器信号被发送至评价单元，所述评价单元指定与传感器信号对应的特征，优选机械特征。此外，设置数据库，其形式优选为现有技术的存储单元，在所述数据库中存储结构的之前已知的负载状态，这些已知的负载状态优选是通过基准测量状态和/或通过数字和/或分析测量装置被检测的，并且评价单元从所述数据库选择作为所确定的特征的函数的已经评价的负载状态。同样合适的是，使用已经存在的专家资料作为一种可选的方式或者对于此的补充，从而评价以所检测的特征为特征的负载状态。最后，设置致动单元，所述致动单元启动至少一个致动器，所述致动器整合在所述结构内或施加至所述结构，从而所述结构至少在一个局部区域内根据当前评价的负载状态而加载或减载。

在特别优选的实施例中，至少一个传感器和至少一个致动器被构造为单个结构单元，并且具有如上所述的转换器材料，或者通过所述转换器材料被整体制成，所述转换器材料使得机械变形能被转换成电能，并且反之亦然。传感器和致动器相应地整合在结构中，处于结构的高承载与高负载区域中，以便直接检测机械负载以及这些负载的影响。

为了提供尽可能自足地和自发地操作的装置，除了传感器和致动器在结构内之外，优选实施例提供了评价单元的附加的整合以及与评价单元数据相连的数据库或存储单元的附加的整合。上述部件可以利用本身公知的微电子结构单元以小型化的形式被构造，并且施加至技术结构，从而并不削弱结构的机械承载能力。

还可以提供与技术结构分离的评价单元和数据库，并且在至少一个传感器与致动器之间实现信号的所需的交换，其中所述传感器和致动器分别借助于遥测单元连接至结构，其中所述遥测单元一方面设置在结构中，而另一方面设在评价单元所在的部位。在静态技术结构的情况中，还可以基于线束实现数据交换。

作为针对至少一个传感器在结构上或内的整合或应用的一种可选的方式，还可以想到的是，借助于传感器系统检测由外部负载作用在结构中而造成的结构变形，所述传感器系统设置成与结构分离，例如为照相机单元。然而，完全不必将用于影响技术结构的负载状态的至少一个致动器整合在结构内，优选与结构相适应，或者将致动器施加至结构，处于适当选择的表面区域中。

附图说明

参看附图参照示意性实施例以不限制本发明大体内容的方式通过实例以下说明本发明，其中：

图1a至d示出了用于实现本发明方法的示意性视图；

图2a、b示出了关于挠性轴的本发明原理的示意性视图；

图3示出了具有削弱结构区域的板形部件的示意性视图；

图4a、b示出了一体部件的示意性视图；并且

图5a、b示出了关于安置在两个固定支座上的板的本发明方法的示意性视图。

具体实施方式

图1a以高度示意性的形式示出了汽车的三角摆臂的悬置点1、2、3，在三角摆臂的悬置点1上安装汽车的轮R，并且在三角摆臂的悬置点2和3布置在本体侧上。合适的拉伸或压缩应力σ_D、σ_Z负载独立地沿连接支柱S1、S2、S3作用。对于三角摆臂的结构设计而言，必须考虑到汽车重量、道路反作用力、以及由于驾驶操作而导致的短期负载，而这些必须被用于确定结构的尺寸。在这种情况中，特别地，还必须考虑到在评价图中很少出现的特殊载荷σ_S(见根据图1b的力-时间曲线F(t)/t曲线)，所述特殊载荷还必须通过三角摆臂被安全地吸收。这些特殊载荷最终导致大多数时间为所提出的三角摆臂形式的、所考虑的结构的完全尺寸过大。如果消除特殊载荷的影响，则传统地根据图1b中的力-时间曲线所示的正常出现的最大载荷σ_max设计结构将是足够的。然而，因为在三角摆臂的情况中这是安全部件，所以对于这种部件或结构必须考虑合适的特殊载荷，这最终导致上述结构设计的尺寸过大。

因此，假设例如，汽车被驱动经过一个孔，所述孔经由轮R将竖直向上指向的力F₁施加至支座1。因此，这样经过该孔导致了沿连接支柱S2的高压缩应力σ_D，而其它两个支柱S1和S3仍几乎没有应力。

图1c示出了三角摆臂的示意性实施例，其中三角摆臂的连接支柱S1和S3分别被构造成，它们沿纵向延伸方向分开，每个连接支柱的半部S1′、S3′被安装成，它们可以通过致动元件A1和A2旋转或枢转，并且为了加强连接支柱S2而适于采取与其平行的枢转状态。连接支柱S2的机械承载能力可以通过以下方式被暂时地加强，通过沿连接支柱S2应用连接支柱半部S1′和S2′而合适启动致动器A1和A2，从而无损害地抵抗短期特殊载荷σ_S。

致动元件A1和A2优选被构造为能量转换器系统，适于将机械能转换成电能，或者反之亦然，以通过电启动实现机电工作。还可以想到的是，通过合适的能量转换方式从结构提取机械能，并例如通过转换至相连的电路中的热能而将所述机械能消散。对于致动器的进一步改型是通过合适的转换方式回收电能，因而从系统消除能量。

还可以想到的是，致动器实现技术结构的横截面改型，从而提高表面惯量特性以及因而承载能力。因而，根据图1d的例如形式为管R的弯曲载荷结构通过将横截面从圆形(I)改变成椭圆形(II)而被改变，从而实现增加表面转动惯量的目的，这是因为椭圆形横截面的最大半轴线指向作用负载L的方向；或者实现增加结构的挠度的目的，这是因为椭圆形横截面的最大半轴线横贯作用负载L。例如，这可以通过以下方式实现，即监控结构的内应力。如果电流变流体或磁流变流体被用于该目的，则还可以引入主动控制阻尼方式。

图2以高度示意性的形式示出了挠性轴(Biegewelle)B，其例如用在印刷机中或用于车轮作为旋转轴。在如图2b所示的负载中，力F如图所示作用在所标识的负载弯曲区域上，这最终导致挠性轴B的挠曲，并且将拉伸应力σ_B引入挠性轴B中。根据本发明，如果在挠性轴B内设置两个致动器A1和A2，例如压电致动器，则通过致动器的启动，附加的力矩可引入到挠性轴B中，这可补偿由外力或负载的作用所造成的挠性轴B的挠曲，从而没有拉伸应力σ_B增加挠性轴B的负载。因而，可启动的致动器A1和A2可以将外部作用在挠性轴B上的负载转向到并不关键的区域，从而在这种情况中可以称为致动器控制负载转向。这种致动器结构优选适于减小短期负载浪涌，并最终有助于避免挠性轴的传统结构所需的尺寸过大。

图3示出了板形结构P中的特定的、受控的负载偏转L的另一实施例，以避免承受破裂的结构区域SR的过载。正如所期望的那样，结构P将在该弱点SR所在的区域在特定载荷下无附加措施地疲劳，并将开始破裂。为了避免这样，设置传感器SE，以便检测区域SR内结构P的局部变形，并且设置四个表面致动器A1至A4，以便用于主动负载偏转，所述致动器可以将外部负载作用L引入到结构P中，这是由于结构弱点SR附近的合适的强化。

在图4a和b中示出了另一应用实例，其中必须表面地强化较大面积的表面面板H，其例如用于飞行器的外壁面板中。为了该目的，使用所谓的桁条元件S，所述桁条元件沿它们的整个延伸长度产生表面面板H与子结构的物理连接(未详细示出)。本发明的原理现在使得桁条元件被设计为尺寸减小，形式为两个桁条元件偏转点SA1和SA2，它们连接至致动器A，以便短期相互强化。仅仅在检测到过载状态的情况中，致动器A被启动。还可以设置成，致动器A还具有传感器功能性特征。

图5示出了支承在两个支承块上的负载板的情况。在图2所示的情况中，通过作用在板P上的力F还引入弯曲应力σ_B，所述应力根据本发明的技术方案利用根据图4b所示结构的致动器A被补偿。致动器A整合在板P所在的区域内，其中所述板P大体承受最大挠曲。为此目的，板P具有相应的凹部，由形状记忆材料或压电陶瓷组成的致动器A整合在所述凹部中。

Claims (18)

1.一种影响技术结构的机械承载能力和/或负载的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

检测所述结构的至少一个与负载相关的特征；

基于至少一个所检测的特征确定所述结构的负载状态；

评价所述结构的负载状态；并且

基于所述负载状态的评价并基于至少一个目标功能产生至少一个信号，其中所述目标功能至少设定成优化所述结构的寿命，所述信号被发送到至少一个致动器，所述致动器整合在所述结构内或施加至所述结构，以便为了影响所述负载状态而启动所述致动器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置至少一个传感器，以便检测所述至少一个特征，所述传感器施加至所述结构，整合在所述结构中和/或位置与所述结构分离。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个与负载相关的特征在所述结构的静态和/或动态负载的影响下改变。

4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述传感器检测所述结构的机械和/或热学特征，所述特征在负载条件下的结构变形中改变。

5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，通过访问数据库确定所述结构的承载能力，在所述数据库中存储所述结构的参考已知的负载状态，所述状态可被指定给所述至少一个特征。

6.根据权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于，通过确定描述所述结构的残余承载能力的尺寸而实现所述结构的负载状态的评价，其中在达到或超过所述结构的残余承载能力时，由于过大的负载作用在所述结构上，而使得所述结构遭受局部或全局不可逆的损害。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，产生用于启动所述至少一个致动器的所述至少一个信号，使得基于所述目标功能优化体现所述结构的残余承载能力的尺寸。

8.根据权利要求1至7任一所述的方法，其特征在于，所述至少一个致动器以下述方式被启动，所述结构在暴露至负载施加的至少一个之前已知的区域中经受加载或减载，也就是附加的强化或较高的弹性。

9.根据权利要求1至7任一所述的方法，其特征在于，所述至少一个致动器借助于半主动信号处理或主动控制的方式被启动。

10.根据权利要求1至9任一所述的方法，其特征在于，借助于多功能转换器材料检测所述特征以及由所述致动器导致的负载状态的影响。

11.根据权利要求1至10任一所述的方法，其特征在于，源自所述结构的负载状态下的变形的力和/或伸展值用作为所述特征。

12.一种用于影响技术结构的机械承载能力的装置，其特征在于，至少一个传感器整合在所述结构内，施加至所述结构和/或安置成与所述结构分离，所述传感器产生与负载相关的传感器信号，

设置评价单元，在所述评价单元内评价所述传感器信号，并且对应的特征指定给所述传感器信号，

设置数据库，在所述数据库中存储所述技术结构的之前已知的负载状态，所述评价单元从所述数据库进行选择，并且评价基于所确定特征的负载状态，并且

设置致动单元，所述致动单元启动至少一个致动器，所述致动器整合在所述结构内，或施加至所述结构，从而所述结构至少在一个局部区域内根据所述负载状态被加载或减载。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述传感器产生传感器信号，所述传感器信号取决于所述结构在静态和/或动态负载的影响下经受的结构变形。

14.根据权利要求12或13所述的装置，其特征在于，所述至少一个传感器和/或所述至少一个致动器具有转换器材料。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述转换器材料包括以下材料中的至少一种：压电陶瓷，无铅压电陶瓷，压电聚合物，电致伸缩陶瓷，电流变流体，聚合物凝胶，磁流变流体，形状记忆合金，形状记忆聚合物。

16.根据权利要求12至15任一所述的装置，其特征在于，所述评价单元、所述数据库和所述致动单元以小型化的形式整合在所述结构内或施加至所述结构。

17.根据权利要求12至16任一所述的装置，其特征在于，能量源整合在所述结构内或施加至所述结构。

18.根据权利要求12至15任一所述的装置，其特征在于，遥测单元整合在所述结构内或施加至所述结构，所述遥测单元将所述传感器信号传输至与所述结构分离设置的评价单元。

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