李双蓓[1]2012年在《压电智能结构分析的新方法研究及其应用》文中研究指明由于智能结构具有自诊断、自适应、自修复等卓越功能,随着研究的不断深入和理论的成熟,现已从航空和军界应用,逐渐被拓展到土木工程、船舶、汽车等行业中,并且在航空、航天、潜艇、高速列车、汽车、桥梁、水坝、建筑等结构的健康监测、损伤自愈合及振动、噪声和形状控制等方面展现出良好的应用前景。近年来智能材料结构的研究应用已经引起世界各主要发达国家的极大重视,被列为优先发展领域和优先培育的21世纪高新技术产业之一。压电材料具有频响范围宽、响应速度快、密实度大、精确度高、良好的线性行为等优点,既可制成传感器又可制成驱动器,通过正逆压电效应来实现智能控制。许多学者对压电材料智能结构开展了大量的基础和应用研究,并已取得了丰富的研究成果。目前,对压电智能结构的研究内容主要包括：耦合理论；形状控制；振动控制；噪声控制；优化分析；故障诊断和监测；分析方法研究及试验研究等。本文基于广西大学秦荣教授创立的样条无网格方法和QR方法分别对压电智能复合材料层合板、压电框架结构建立新的分析模型,对压电智能结构静变形控制、形状最优控制、压电材料参数识别、振动主动控制展开研究。研究的主要工作和创新点如下：1.基于高阶剪切变形理论和-Iamilton变分原理,采用样条无网格方法,建立了压电智能复合板静变形分析的新模型,推导了样条无网格法刚度矩阵；基于样条无网格离散模型对压电驱动器驱动电压的灵敏度和对驱动器铺设位置的灵敏度,建立了压电智能板形状最优控制模型。通过设计不同的压电驱动器对各种边界条件、不同基体材料的压电层合板进行静变形控制和形状最优控制的算例分析,结果表明本文建立的新模型正确,能够有效的控制结构变形。样条无网格法具有精度高、输入简单、运行效率高、处理边界条件简便等优点。2.对压电智能层合板的变形控制进行了解析法研究,提出了符合压电材料正逆压电效应特性的压电层表面的电学边界条件。针对考虑一阶剪切影响的四边简支压电层合板,根据电学平衡方程及电学边界条件推导得到了压电层沿厚度方向电势分布为双曲函数的变化规律。算例讨论了压电层合板在机械荷载和电荷载作用下的变形、电势分布,并对结构变形进行了开环和闭环控制,结果表明推导的解析解与样条无网格解能够互相印证,吻合很好。由于单片压电驱动器控制力不足,为了提高驱动效率,对书本式压电驱动器驱动力的解析解进行了公式推导,建立了压电片层数n与压电驱动器的驱动力Mxp非线性的量化关系。算例分析表明,书本式压电驱动器的控制效果较好,能够应用于压电层合板及钢框架结构的变形控制中。3.建立了压电材料参数识别分析的新模型。将材料参数识别的问题转化为极小化目标函数的问题,目标函数定义为测量位移与样条无网格法计算的相应位移之差的平方和；推导了基于样条无网格法求解位移值相对于材料各参数导数的灵敏度计算公式,采用基于信赖域技巧的Levenberg-Marquardt方法极小化目标函数；在参数识别过程中,以样条无网格方法计算的理论位移为真值,以给定方差下的随机正态分布数据模拟带误差的测量位移。研究了压电复合材料板分别在机械荷载及电荷载作用下,基体材料和压电材料的参数识别问题,算例表明本文提出的材料参数识别方法具有较高的精度和较好的稳定性,是行之有效的。4.基于高阶剪切变形理论,推导了一种新的可以考虑剪切影响、压电效应、初始几何缺陷及P-△效应的压电智能梁柱单元。当不考虑剪切影响和压电效应时,新单元的刚度矩阵可以退化为线弹性情况下的单刚形式；通过引入初始几何缺陷影响系数的方法,可将初始几何缺陷与P-△效应联合分析,建立了相应的单元几何刚度矩阵。算例结果表明新单元模型正确,为压电智能框架结构建模奠定了理论研究基础。5.基于新的压电智能梁柱单元刚度矩阵,采用样条QR方法建立了压电智能框架结构的动力分析新模型；利用模态控制理论,运用LQR最优控制方法,建立了压电智能框架结构振动主动控制计算模型；将压电堆式驱动器布置在框架结构柱上,对压电钢框架结构进行了振动主动控制仿真分析,讨论了结构的P-△效应和初始几何缺陷对结构自振频率及控制力的影响。算例结果表明,本文建立的分析模型能够有效的抑制结构的振动；考虑P-△效应和初始几何缺陷后,结构的自振频率减小,控制电压明显增加,说明这两个因素对结构振动主动控制的影响是不可忽略的,分析初始几何缺陷和P-△效应对结构振动控制的影响很有意义。本文进行了大量的数值模拟计算,将基于新方法的分析结果与解析解和有限元解进行了比对,结果表明建立的新模型是正确和有效的,具有输入简单、计算精度高、稳定性好、物理概念清晰、处理边界条件方便、计算量少,运行速度快等优点。本文采用新方法对压电智能复合材料层合板及钢框架结构开展形状控制、振动控制、优化分析以及参数识别的理论研究和仿真分析,具有重要的理论和现实意义,提出的分析方法及得到的结论具有参考价值。
吴克恭[2]2003年在《埋入压电材料的智能复合材料结构振动主动控制理论和实验研究》文中提出近20年来，智能材料结构随着材料科学、计算机技术、信息理论、控制理论等学科的发展已成为国内外最活跃的研究课题之一。智能材料结构是集智能传感元件、智能作动元件，微型计算机控制芯片等于一体的复合型结构，在航空、航天、国防、汽车、石油钻探、采矿、铁路运输、工业机器人、以及机床等各行各业中，都有着广泛的应用前景。继美国军方提出和展开大规模的研究之后，日本、英国、德国、澳大利亚、韩国等相继投入人力、财力开展智能材料结构的研究工作，我国自90年代以来，也有一批专家学者从事这方面的研究，某些成果已达到了国际先进水平。 智能材料结构振动主动控制技术就是借助于其中智能材料的作动和传感特性来对结构的振动进行控制。压电材料由于其自身的压电效应和逆压电效应而被制作成压电传感器和压电驱动器来对结构的振动进行控制。早期的研究主要集中在表面粘贴压电片的结构，表面粘贴压电片具有一些无法克服的缺点。本文着重进行利用埋入复合材料结构的压电传感器和压电驱动器对其振动进行主动控制的相关理论和实验研究，并介绍其相应结果。埋入型压电材料的优点主要是能保护压电传感器和作动器及其连线、增强压电材料和基体材料的耦合、优化埋入压电陶瓷的深度和厚度可增强压电传感器的测量信号并提高信噪比等。另外本文利用埋入复合材料结构中的压电传感器和驱动器对其进行模型识别而得出结构的动力学模型，再将该模型用于控制器的设计，这样做的好处是如果结构本身或者约束、环境等发生变化后，可以很方便地对结构的模型重新进行在线识别，及时更新控制参数，避免控制失效，而且不需要事先知道结构的其它属性。应用最优控制理论的全维状态观测器技术，结合所选取的压电传感器和作动器识别的结构动力学模型，可以设计出其最优控制器。实验表明，传感器信号的频谱峰值最大可以被有效的降低20分贝左右。 本文的工作主要集中在下面几个方面： (1)．从压电材料的压电方程出发，针对埋入式压电片，分析埋入式压电片在和结构一起发生变形时基体结构材料和压电材料的应力应变的分布规律和关系。对其作动能力和传感能力进行了详细的推导，得到了埋入复合材料梁和板结构中压电片的压电作动弯矩方程和压电传感方程。 (2)．分析了压电复合材料结构的有限单元建模方法和基于结构模态分析技术的实验模型识别方法。通过对埋有压电作动器和压电传感器的智能复合材料结构进行有限单元分析，建立起了结构振动的有限单元模型，并介绍了对有限摘要 单元模型进行模型降阶的方法，使其适合于对结构的振动进行控制。同时利 用模态分析技术对结构的模态参数进行识别，用识别的模态参数建立了结构 振动的状态空间模型，为控制器的设计做好了准备。(3).对压电复合智能材料结构设计了线性二次型最优控制器。同时分析了加权矩 阵在最优控制器设计中的作用，提出了一种简单有效、意义明确、计算量小、 不需要迭代计算的加权矩阵选取和计算方法。利用全维状态观测器技术对于 状态反馈所需的状态值进行估值，并将状态观测器的极点配置在反馈控制系 统极点的左侧，以使得状态观测器的响应速度比状态反馈控制系统的响应速 度快。(4).通过对埋入梁结构中压电片的压电作动力矩方程进行分析，推导出了压电材 料埋入梁结构时其最优埋入深度和压电材料最优厚度的显式表达式，以及能 够取得这些最优值的条件。根据压电弯矩表达式，绘制出了在给定的基体材 料和压电材料弹性模量比之下，压电材料的驱动力矩随埋入深度和压电材料 厚度变化的叁维曲面和等高线图，直观地表示出了埋入型压电智能复合材料 结构获得最佳驱动力矩的配置方案。试图给压电型智能材料结构的设计和制 造者提供一些有用的建议和指导。同时也分析了基体结构和压电材料两者的 弹性模量之比对压电作动力矩的影响。并将其结果也推广到了压电复合板结 构，指出了对于压电复合板结构还需考虑基体材料和压电材料泊松比的影 响。(5).制作了埋有若干压电片的碳纤维复合材料梁结构，对于该复合材料梁结构进 行了实验模型识别、控制器设计和振动控制实验研究。实验模型识别结果表 明，利用埋入复合材料结构中的压电片，可以在较宽的频带内很好地识别结 构的动力学模型，并且当结构的动力学特性发生变化的时候，可以很方便地 对结构模型进行再识别，对模型参数进行及时更新，使得结构的识别模型能 够正确地描述实际结构。振动控制实验表明，利用实验识别模型和木文介绍 的控制器设计方法，可以很好地控制结构在被识别模态处的振动。同时实验 验证了本文提出的控制器设计时加权矩阵选择方法的有效性。
赵冬冬[3]2007年在《压电智能结构模态控制研究》文中研究表明智能结构由主结构、智能材料及控制系统组成,它是一种仿生结构体系。智能材料分别代表传感器和驱动器,压电材料由于具有正、逆压电效应,既可作传感器又可作驱动器,因而广泛应用于智能结构振动主动控制系统中。压电智能结构振动主动控制技术就是根据压电传感器和驱动器的正、逆压电效应来减少或降低结构的振动,从而达到控制结构振动的目的。它是控制理论在振动工程中的应用,其中控制方法的研究是该领域的研究重点之一。本文首先通过对粘贴压电片的智能复合材料结构的应力和应变分布规律以及对压电片压电方程的分析,推导压电片作为驱动器时对基体结构的致动能力,得到压电作动器的压电致动方程;以及当其作为传感器时对结构变形的感知能力,得到压电传感器的压电传感方程。对粘贴压电片的智能材料结构的建模方法进行探讨和研究。基于有限元分析软件ANSYS,建立压电智能梁结构的有限元模型,对其进行模态分析,并研究粘贴有压电片梁结构的静力学和动力学实例。对粘贴压电片的智能材料结构推导动力学方程,将动力学方程按模态坐标进行解耦,将解耦的动力学方程转化到状态空间,推导状态反馈最优控制的理论公式,设计线性二次型最优控制器。最后通过MATLAB软件和ANSYS软件对压电悬臂梁进行振动主动控制仿真,验证基于线形二次型最优控制的独立模态控制方法的有效性。
乔印虎[4]2014年在《压电板壳风力机叶片设计与振动控制研究》文中进行了进一步梳理风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视,叶片是风力机中最关键的部件之一,占到整机成本的20%左右,风力机叶片在载荷作用下的振动破坏是风力机常见故障,本文在综述国内外风力发电及风力机叶片发展的基础上,分析了风力机叶片载荷的形式及大小,针对叶片振动保护的现状,提出了将压电材料嵌入到叶片复合材料内部以构成智能风力机叶片的思想,并根据叶片气动和强度理论,分析翼型气动性能和强度参数,完成了智能叶片的结构设计；基于扁壳理论,将设计的智能叶片等效为压电壳体进行有限元建模并分析；同时将壳体有限元分析结果与商用有限元软件的结果进行对比,验证所建模型的准确性；引入自适应滤波思想,设计智能叶片振动主动控制系统；最后,搭建简单实验系统,对振动控制的效果进行实验验证,完成的主要研究工作和成果总结如下：1)介绍了当前国内外风能利用的现状以及叶片结构、材料和设计情况,对风力机叶片建模和振动主动控制理论的研究进展进行了综述,介绍了压电智能材料及其在振动主动控制中的应用、国内外的研究情况。指出现有研究的不足,引出风力机叶片振动主动控制的必要性。2)智能复合材料叶片载荷分析：探讨风力机叶片载荷的形式,根据风力机叶片在不同风载作用下,研究不同设计工况的结构载荷及气动流体计算方法,并确定极限载荷发生的工况,开展了载荷模拟仿真计算研究及极端湍流风模型工况下的极限载荷统计规律,并结合模拟仿真结果进行分析。3)智能复合材料叶片结构设计：根据设定的风轮设计功率、启动风速等设计参数及叶片翼型的力学性能分析等来确定叶片气动参数。基于坐标变换方法和复合材料设计思想,得到了叶片叁维建模的通用方法,结合压电材料结构特点,研究叶片主梁、蒙皮等承载结构刚度、强度的设计条件,由风力机叶片的安装形式将叶片等效为悬臂梁结构,通过叶片的构造分析,采用梁的刚度理论,研究复合材料叶片的强度设计方法；依据叶片沿展向等强度条件,研究基于叶片位移变形约束的刚度协调设计方法和准则；以1.5MW风力机为例,设计了压电板壳式风力机叶片,并进行叁维建模,为压电板壳式风力机叶片进一步分析研究打下基础。4)压电板壳式风力机叶片结构强度建模：翼型壳体本身是空间扭曲的,极不规则,将叶片看做两部分矩形扁壳的组合,推导了扁壳压电与弹性力学耦合方程,基于H-R(Hellinger-Reissner)变分原理、剪切变形理论和哈密顿(Hamilton)原理,推导并建立了压电板壳式复合材料叶片结构的机-电耦合动力学模型。5)将压电板壳式机-电耦合动力学模型在Matlab软件中进行有限元分析,得出了模型在控制电压施加前后叶片各方向位移、转角的变化情况,同时,针对设计的压电智能复合材料叶片,利用ALgor软件对压电材料施加电场,在400v电压作用下,对智能叶片上的位移、应力和应变的大小变化进行分析,确定压电材料用于风力机叶片的振动控制效果,为对动态载荷进行对比分析,在ANSYS中通过命令流编程,分析在风载作用下,控制电压对叶片振动的抑制情况。结果表明：施加控制电压前,叶片在受到阵风或随机风作用后,振动缓慢衰减,当给叶片中压电材料施加控制电压后,在压电材料的逆压电效应下,压电材料对叶片作用一个电场力,在此力的作用下,叶片衰减迅速,在极端风速情况下能极大的提高风力机叶片的气动弹性稳定性。6)智能叶片振动主动控制研究：搭建了智能叶片振动主动控制系统总体结构,将风力机叶片等效为压电悬臂梁,实现LMS算法,设计参数可调的ⅡR滤波器,由自适应滤波器对结构振动情况实时检测并滤除干扰信号后输入控制器,根据振动情况,由控制器发出控制指令给驱动器以驱动压电纤维动作,实时改变叶片刚度等结构动力学参数,实现主动控制,并设计了简单实验系统进行了验证。
黄全振[5]2012年在《压电智能结构自适应滤波振动主动控制研究》文中研究说明压电智能结构振动主动控制方法与技术涉及先进材料、控制理论、力学分析、数学建模、科学计算、实验技术等诸多领域，是多学科交叉的前沿课题，具有重要的科研学术意义和工程应用价值。作为压电智能结构主动减振研究的一个重要发展方向，自适应控制策略成为当前研究的热点，其中自适应滤波控制技术在理论方法和实验验证方面取得了较好的实现效果；但目前面向压电智能结构振动主动控制的自适应滤波控制方法依然存在很多不足，突出体现在控制器设计和算法过程的具体实施适应性上，同时算法缺乏比较完善的系统稳定性及控制效果分析方法，并在工程实现方面也存在较多的问题，需要进一步的深入探索和研究。本文基于国家自然科学基金科研课题的研究背景，以一种模拟临近空间飞行器压电智能框架结构为实验模型对象，着重进行自适应滤波振动控制方法及其实现算法研究，同时针对模型结构动力学分析方法与压电元件优化配置策略进行积极探索，并在此基础上构建整体实验平台和开发综合测控系统，以验证相关方法技术的可行性和有效性；全文工作可以概括为结构动力学分析与压电元件优化配置、自适应滤波振动控制方法与控制器设计、实验平台构建与实验验证分析叁大部分。所做主要工作如下：（1）以压电智能框架结构为实验对象，将分布式压电元件作为传感器和驱动器粘贴于结构表面，构建了一种模拟临近空间飞行器压电智能框架实验模型结构，并与开发的自适应滤波振动控制系统结合，形成了一套压电智能结构自适应滤波振动主动控制实验系统。（2）采用行波分析法，对压电智能结构进行动力学分析，同时引入智能结构振动模态有限元分析技术，结合压电智能结构振动特性，分析了压电传感器/作动器的位置优化问题，并以框架组成单元梁为研究对象，给出优化目标函数，引入粒子群优化方法针对目标函数进行优化，实现分布式压电传感器/作动器元件的优化配置。（3）鉴于经典自适应滤波-X LMS算法过程中需要预知与外激扰信号相关的参考信号，导致该方法存在工程适用性和技术实用性缺陷。本文提出了一种基于滤波-X改进型的参考信号自提取振动控制算法，着重考虑通过从振动结构中直接提取振动响应残差信号，进而基于控制器结构和算法过程数据构造出参考信号，满足与激扰信号的相关性并进入算法控制过程；仿真分析和实验验证表明：所提出改进的控制算法控制效果良好，不仅实现了参考信号的振动结构直接提取策略，并具有较快的收敛速度和良好的控制效果。（4）在经典的自适应滤波-X LMS算法实施过程中，存在控制通道模型参数辨识问题，一般可采用离线辨识策略获得控制通道模型参数，但也很大程度上导致该方法在工程实际应用时具有较大的不实现性。本文提出一种控制通道模型在线辨识的自适应滤波振动主动控制方法，其基本思想是在控制输出端引入一个随机噪声信号，采用FIR滤波器作为受控通道模型进行实时在线辨识，同时控制环节采用滤波-X控制算法。经过仿真分析和实验验证表明，本文所提的在线辨识控制器设计方法及其实现算法控制效果良好，为进一步深入实用化研究奠定了基础。（5）由于滤波-X控制器的传输函数是一个全零点的结构，其不考虑控制输出信号的反馈对参考信号的影响，而在实际的系统中这种影响是不能忽略的。滤波-U结构的传输函数中含有零极点，它可以在一定程度上解决振动反馈可能带来的控制系统的不稳定问题。本文以滤波-U为基础结构，分别研究了参考信号自提和控制通道在线辨识问题，分别提出了基于滤波-U的参考信号自提取振动控制方法和控制通道在线辨识的振动控制方法。经过仿真分析和实验验证表明，所提控制方法及其实现算法控制效果良好。（6）在完成压电智能框架结构振动主动控制平台构建，以及结构振动控制系统软件开发的基础上，对本文所研究的自适应滤波振动控制方法及其实现算法进行了实验分析与验证工作。方法研究与实验验证表明，多通道自适应滤波结构振动控制方法具有较强的自适应能力，能够较快地跟踪受控结构系统参数及外扰响应的变化；本文所提出的自适应滤波振动控制算法与经典滤波-X、滤波-U算法相比，虽然收敛速度略慢，但控制效果良好，尤其为提高自适应滤波控制方法的技术实用性和工程适用性，提供了有益的技术方法思路。
林娜[6]2006年在《压电智能结构用于振动主动控制技术的研究》文中研究表明随着航空、航天、电子、机械等技术的飞速发展,各种挠性机构的振动控制也逐渐成为一个热门的话题。利用智能材料作为传感元件及驱动元件对挠性结构的振动进行控制,成为当前结构振动控制研究和应用中非常活跃的领域。特别是在空间挠性结构中,由于其挠性大、内阻小,太空环境又几乎没有什么外阻,要使其具有高稳定性和高定位精度,用传统的振动控制方法难以满足要求。开发和研制集传感、驱动和控制于一体的具有自诊断、自适应等功能的挠性智能结构,为这一问题的解决开辟了一条崭新的途径。 本文的主要工作围绕以下几方面展开: (1)简单介绍智能材料及智能结构的基础知识及其广阔的应用前景; (2)针对贴有一对压电陶瓷的铝基悬臂梁,利用经典有限元法和横向位移方程,建立了其数学模型; (3)使用有限元分析软件ANSYS对悬臂梁的振动过程进行模态分析,介绍用ANSYS软件进行振动模态分析的步骤,给出了前叁阶模态分析的结果; (4)对压电片的厚度及粘贴位置进行优化,讨论了粘结层厚度、铝基厚度、压电片厚度叁者之间厚度关系对驱动效果的影响及粘贴压电片的最佳位置; (5)利用叁种不同控制方法设计控制系统并进行仿真,分别实现了对该系统振动的主动控制系统的设计,并对控制效果进行了比较。
陈波[7]2003年在《高耸塔架结构振动反应的智能混合控制》文中研究指明包括电视塔和输电塔在内的高耸塔架结构由于其自身的高柔特性，在外荷载作用下振动强烈。电视塔结构往往质量和刚度分布很不均匀，结构鞭梢效应显着。而大跨越输电塔结构也由于结构刚度和阻尼较小，以及塔线耦联振动的影响，其动力反应同样较为显着。因此，采取有效的措施减小高耸塔架结构的动力反应以确保其安全性，是一个亟待解决的问题。本文以合肥电视塔和湘江输电塔为研究背景，对被动及智能半主动阻尼器用于高耸塔架结构的风振及地震反应控制进行了系统的研究。 本文采用不同单元分别建立了电视塔结构的梁系和杆系叁维空间有限元模型，并进行了电视塔的动力特性分析并比较了两种叁维模型的差异。在此基础上，基于几个基本假设由叁维模型缩聚形成二维串联多自由度动力模型。本文利用随机振动理论模拟了电视塔结构的顺风向脉动风荷载，并进行了风振反应分析。同时，讨论了地震波输入和处理的有关问题，并进行了结构的地震反应分析。 本文对导线动力分析的多质点模型进行了系统研究，结合工程实际分析了其计算结果并进行了相应的参数分析。本文基于大型有限元分析软件ANSYS进行二次开发，构建了输电塔线体系力学分析的APDL模块，应用该模块建立了输电塔的叁维空间有限元模型并进行了动力特性分析。在此基础上模拟了结构多维脉动风荷载，进行了塔线耦联体系的动力特性分析以及风振反应和地震反应分析。 本文研究了被动摩擦阻尼器的力学模型，提出了基于滑移量的摩擦阻尼单元力——变形关系，并设计了适用于高耸塔架结构振动控制的摩擦阻尼器。本文结合当前半主动阻尼器和智能材料的最新研究进展，详细讨论了两类智能半主动阻尼器的构造和特点。设计了压电陶瓷智能摩擦阻尼器装置，推导了压电材料参数、外加电场以及阻尼器参数与摩擦起滑力的关系。此外还结合实验结果详细介绍了MR阻尼器修正的Bingham模型。 本文对被动及智能半主动阻尼器用于高耸塔架结构风振和地震反应控制进行了较为系统的研究。本文通过对叁种阻尼器的风振和地震反应控制的详细的参数研究，分析了各种因素对振动控制效果的影响，得出了一些有价值的结论。在半主动控制策略方面，本文提出了基于局部反馈的固定增量控制控制策略和基于智能控制理论的模糊半主动控制策略，并将它们用于高耸塔架结构的振动控制。本文研究表明，采用这两种控制策略的智能阻尼器均能有效地减小塔架结构的地震及风振反应，并且减振效果对外荷载强度的变化不敏感。参数分析表明，半主动控制策略的参数对减振效果有显着的影响，合理的参数选择是智能阻尼器取得良好减振效果所必需的。 本文结合王家滩江汉大跨越输电塔抗风控制的工程实际，提出了设置粘弹性阻尼器的输电塔结构抗风分析的实用方法，从而使设置粘弹性阻尼器的输电塔结构的抗风设计可以在我国设计规程的基础上进行。
吕蕊[8]2007年在《压电智能悬臂板梁振动的主动控制与压电片的优化布置》文中提出智能结构不仅能够承受载荷，还能感知所处的内、外部环境变化并通过改变其自身的物理性能或形状等做出响应，具有响应快、自适应、自诊断、自修复等优点。目前，智能结构已经成为了工程振动控制领域的研究热点之一。压电材料可作为传感器和致动器，是智能结构的核心部分，其在结构上的布置情况及控制参数直接影响着振动控制的效果，是目前对智能结构进行研究的重点问题之一。本文以压电智能悬臂板梁为研究对象，研究压电传感器和压电致动器的布置及控制参数对悬臂板梁振动情况的影响。本文首先根据压电材料的性质及压电理论分析了压电材料与悬臂板梁之间的相互耦合关系，建立了智能悬臂板梁的动力学方程和状态方程，然后以线性二次最优控制理论(LQR)为优化设计准则，以最小存留能量为目标函数建立了悬臂板梁主动控制优化设计模型，采用建立在一阶偏导数计算基础上的优化方法，利用MMA算法(移动渐进算法)对优化模型进行计算。最后在MATLAB中编程分别对粘贴了一对压电片和粘贴了两对压电片对悬臂板梁进行主动振动控制的优化模型进行求解，得到最优控制时压电片的布置位置与控制参数，并在MATLAB／Simulink中进行仿真。仿真结果表明，该方法对抑制悬臂板梁的振动是有效的。为了进一步验证该方法的正确性，搭建了实验平台对压电智能悬臂板梁的主动控制进行了实验分析。
丁根芳[9]2008年在《层合压电智能结构的数值模拟和振动控制研究》文中提出层合压电智能结构是由弹性材料,压电材料和粘结层构成,在层合压电智能结构中存在着复杂的弹性场、电场的相互耦合作用。因此建立能准确描述层合压电智能结构在外荷载作用下的静动态响应的分析模型,要进行力-电耦合行为的建模;力-电耦合的定量设计、优化设计与计算机模拟;探索力学场,电场的宏观场的耦合作用,讨论层状智能材料力-电耦合问题的计算理论和方法;层合压电智能结构的优化设计;研究传感层和致动层嵌置深度、厚度及位置的优化设计模型,建立嵌置有传感层和致动层的层合智能结构的优化设计的有限元分析模型和闭合反馈控制算法的理论公式,实现层合压电智能结构的静力分析、形状控制和主动控制,这些都是亟待解决的问题。本文研究的主要内容如下:(1)、层合压电智能结构的有限元方程推导和有限元分析模型建立。从Hamilton原理和磁电力热耦合的本构方程出发,通过引入对电场和弹性场适当的近似,建立层合压电结构的有限元分析模型和计算公式,编制基于ANSYS/APDL的有限元分析程序,为静力分析和主动控制做准备。(2)、层合压电智能结构的静力分析。在现有的压电有限元分析模型中,大部分都忽略了粘结层的影响,实际上粘结层对结构的性态是有影响的。建立能准确描述压电材料层合结构在外荷载作用下的弹性场、电场、和温度场的分布以及结构的感知和致动行为的有限元分析模型。重点揭示单点配置和多点配置压电片、以及不同粘贴与埋置方式对于结构致动性能和传感性能的影响。(3)、层合压电智能结构的优化设计。在层合压电智能结构中调整压电的电场和电压可以实现静力变形控制。早期层合智能结构的研究主要集中在传感层和致动层都附着在层合智能结构的表面。在这种情况下,附着在层合智能结构表面的传感层和致动层比较容易受到化学腐蚀和机械损坏。另一方面致动力的大小与压电层的厚度、嵌置位置和深度密切相关。随着智能结构动力学、材料科学以及电子技术的发展,在层合智能结构的制造过程中将传感层和致动层嵌置在层合结构内部在技术上已成为可能。(4)、层合压电智能结构的主动控制。本文研究了传感层和致动层嵌置深度、厚度及位置的主动控制模型,建立嵌置有传感层和致动层的层合智能结构的优化设计的有限元分析模型和闭合反馈控制算法的理论公式。数值研究主要集中研究不同迭层形式、材料性质和主动层的位置对层合压电智能结构振动响应的影响。本课题采用理论推导和有限元建模方法,科学地分析压电层合结构的静力问题、优化设计、形状控制和主动控制,开展层状压电结构的计算理论和方法的研究具有重要的科学意义和应用价值。
高乐[10]2012年在《基于压电智能复合材料的振动主动控制》文中进行了进一步梳理飞机的机动性、稳定性、可靠性及续航时间等都会影响一场战役的结果。双垂尾的飞机在大攻击角飞行时，其前部机身或机翼上会产生非定常的、紊乱的涡流，涡流载荷通常以弯矩和扭矩的形式反复作用在飞机的垂直尾翼上。当这种涡流载荷的频带覆盖飞机垂尾低阶固有频率时，会引起垂尾巨大的振动和动态应力，使得垂尾结构产生过早的疲劳损伤，严重影响了飞机的战斗力和可靠性。宏纤维复合材料(Macro Fiber Composite, MFC)作为压电智能复合材料的一种类型，不仅具有高应变驱动效率，而且能够实现定向驱动、定向传感。由于其极好的挠性，MFC能够粘贴在曲面结构上，有效地控制垂尾结构所产生振动，从而增加飞机的使用寿命降低维护成本。本文以MFC在垂尾结构上振动主动控制的应用为研究背景，对MFC的驱动机理和传感机理进行了研究，建立了简化的垂尾结构有限元模型并进行了振动控制仿真分析，以及开展了垂尾结构的振动主动控制实验。本文的主要内容为：(1)根据宏纤维复合材料的结构特性将其简化成横观各向同性材料，简化出了MFC的叁维线弹性—压电方程。分别基于应用d31效应的P2型MFC和应用d33效应的P1型MFC来探讨板结构表面粘贴宏纤维复合材料的驱动机理和传感机理，最后推导出了MFC作为驱动器的驱动弯矩方程和和作为传感器的传感电压方程。(2)采用有限元软件ABAQUS建立了MFC的有限元模型，仿真分析了MFC的正压电效应和逆压电效应。然后对几种飞机垂直尾翼结构的简化模型进行模态分析，最后使用UAMP子程序来实现几种飞机垂直尾翼结构的简化模型的振动控制仿真分析，并通过等效阻尼比来衡量减振效果。(3)进行了垂直尾翼结构振动主动控制实验，测得了不同激励作用下不同贴片位置的振动响应。实验结果进一步验证了宏纤维复合材料在实现垂尾结构减振方面应用的可行性。
参考文献：
[1]. 压电智能结构分析的新方法研究及其应用[D]. 李双蓓. 广西大学. 2012
[2]. 埋入压电材料的智能复合材料结构振动主动控制理论和实验研究[D]. 吴克恭. 西北工业大学. 2003
[3]. 压电智能结构模态控制研究[D]. 赵冬冬. 河北工程大学. 2007
[4]. 压电板壳风力机叶片设计与振动控制研究[D]. 乔印虎. 合肥工业大学. 2014
[5]. 压电智能结构自适应滤波振动主动控制研究[D]. 黄全振. 上海大学. 2012
[6]. 压电智能结构用于振动主动控制技术的研究[D]. 林娜. 西北工业大学. 2006
[7]. 高耸塔架结构振动反应的智能混合控制[D]. 陈波. 武汉理工大学. 2003
[8]. 压电智能悬臂板梁振动的主动控制与压电片的优化布置[D]. 吕蕊. 河海大学. 2007
[9]. 层合压电智能结构的数值模拟和振动控制研究[D]. 丁根芳. 合肥工业大学. 2008
[10]. 基于压电智能复合材料的振动主动控制[D]. 高乐. 哈尔滨工业大学. 2012
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