张拉整体结构是一类轻质、网格状的空间结构体系，由预拉伸的绳和预压缩的杆通过球铰连接而成，在航天航空、土木建筑、仿生机械、生物力学等领域具有许多重要应用，被誉为“未来的结构体系”。张拉整体结构的力学性质与几何外形密切相关，结构的构型控制对实现其功能具有重要意义。将驱动器与张拉整体结构的单元相结合而组成自适应的智能张拉整体结构，在振动控制、结构外形控制和精密定位领域有着重要的应用价值。本项目对含电驱动元件的张拉整体结构的力电耦合响应进行了系统性研究，开展了理论建模、数值模拟和实验测试三方面结合的研究内容，涉及结构构型设计、变形分析、驱动控制等研究环节。理论研究方面，发展了大规模张拉整体结构的组合式构型设计理论，提出了基于力密度矩阵特征值多项式系数行列式的张拉整体结构找形解析求解格式，建立了张拉整体结构准静态力电耦合响应分析理论框架；模拟研究方面，提出了基于结构刚度矩阵法的张拉整体结构力电耦合响应的求解数值方法，模拟研究了棱柱状结构、截角正多面体状结构等多种张拉整体结构的力电耦合响应；实验研究方面，选用电动推杆和PZT压电堆栈为驱动元件以实现不同尺度的变形量，分别搭建了适用于宏观位移测量和微观位移测量的实验测试系统，对棱柱状结构和类扩展八面体球状结构等典型张拉整体结构的力电耦合响应进行了实验研究；实例研究方面，设计了由六根杆和三十根绳组成的柔性张拉整体式智能循迹机器人、四棱柱状张拉整体结构便携帐篷、棱柱状张拉整体式电致位移平台等原理性应用实例。本项目的实施有助于深入理解张拉整体结构在多场耦合作用下的变形响应特性，研究成果可为智能张拉整体结构的实际应用提供重要的理论参考。 2100433B

张拉整体结构是一类轻质、网格状的空间结构体系，由预拉伸的绳和预压缩的杆通过球铰连接而成，在航天航空、土木建筑、仿生机械、生物力学等领域具有许多重要应用，被誉为“未来的结构体系”。张拉整体结构的力学性质与几何外形密切相关，因此结构的构型控制对实现其使用功能具有重要意义。本项目在结构力学与智能材料学的基础上，拟对压电式智能张拉整体结构的力电耦合响应进行研究，将涉及结构构型设计、变形分析、驱动控制等研究环节，目标是建立适用于含压电元件的张拉整体结构力电耦合变形行为分析的理论框架，为此，将开展结构的力电耦合理论研究，发展非线性数值求解方法，实测典型结构的耦合响应，并进一步探索压电式智能张拉整体结构的自校正、自适应、自修复等智能化功能，以期实现结构构型的智能控制。本项目的实施将有助于深入理解张拉整体结构在多场耦合作用下的变形响应特性，研究成果将为智能张拉整体结构的实际应用提供重要的理论参考。

国内对智能张拉开展研究的单位有很多，如湖南联智桥隧技术有限公司、上海同禾土木工程科技有限公司、上海耐斯特液压设备有限公司、柳州泰姆预应力机械有限公司等，但在市场领域，传统张拉技术产品仍然占据主要市场。

当然，在智能张拉技术的推广上也有一些企业取得了突破。比如湖南联智桥隧技术有限公司研发的预应力智能张拉系统，已经在湖南省所有在建高速公路，以及全国超过22个省区市的交通、市政项目得到了广泛应用，该课题还被纳入了由部公路科研院和部工程质量监督局牵头承担的《公路工程施工质量安全智能控制与远程监控》科研课题的一部分继续进行深入研究，并于2012年5月20日在云南昆明通过了交通运输部组织的由中国工程院院士组成的专家委员会鉴定，成果认定为国际先进水平。。

提出利用磁力耦合拉-压激励预弯压电振子并使之产生沿旋转体径向伸缩振动发电，研究这种磁力耦合径向拉-压激励及发电能力的形成理论与方法，进而构造高可靠性、宽频带、轴向占用空间小的新型回转式压电俘能器，用于航空航天/大型机械等非结构环境中旋转体的自供电传感监测。主要内容：统筹考虑俘能器系统要素间耦合关系，建立系统动力学/运动学模型，通过模拟仿真获得磁场非线性耦合特性及其对激振力和部件相对运动关系的影响规律、以及合理的系统参数匹配关系；研究压电振子的径向振动形态及其能量转换特性，分析机械单元结构、电控单元电路形式/器件参数等对发电能力/效率的影响规律，提取制约预弯压电振子动态响应速度及有序径向往复振动的关键要素，揭示磁力耦合拉-压激励形成宽频带发电能力的本质机理；进行两类回转式压电俘能器样机制作与试验，获得最优激励方案、机械结构及能量回收方案；试制样机至少8台，提供设计方法及关键制造技术参数。

本项目针对现有旋转式压电俘能器可靠性低、转速适应性低、发电能力弱等弊端，以磁力耦合径向拉-压激励下预弯压电振子伸缩振动的工作机理与内在规律为研究对象，目的是通过磁力耦合拉-压激励预弯压电振子并使之产生沿旋转体径向伸缩振动发电，建立了压电俘能器在旋转磁铁激励下一般周期力的数学模型，开展了预弯梁压电振子的理论与仿真分析，获得了磁力耦合下预弯压电振子的初始工作位置对压电能量收集器的影响规律，试验得到了旋磁激励下弯曲压电振子的发电特性，在此基础上进一步探究了旋磁激励式压电预弯梁俘能器机理并通过试验获得了俘能器输出性能的影响规律，项目执行期间，课题组成员在原有实施方案基础上又提出了多种新结构新原理的旋磁激励式压电俘能器，包括：磁力夹持的旋磁激励压电俘能器、可调频旋磁激励式压电发电机、基于压电简支梁拉伸调频的旋磁激励式发电机、错位旋磁激励式压电俘能器等。四年来，本项目研究成果已经在国内外公开发表学术论文17篇，其中SCI检索期刊7篇、EI检索期刊8篇（1篇录用），获得发明专利17项、申请发明专利5项，3项专利技术转让66万元，国际会议分组报告2次，培养硕士研究生4名，依托本项目2016年项目负责人获得国家公派出国留学资格赴英国南安普顿大学访学一年，项目负责人也由副教授晋升为教授，并获聘本校“双龙学者”特聘教授。 2100433B