层状压电智能梁板结构的形状最优控制研究

基于压电层合结构的有限元方程,采用零阶逼近优化和一阶梯度优化算法,运用ANSYS/APDL语言,编制了力-电耦合有限元优化分析程序.运用该程序,对一单压电片和多压电片埋置的三层梁和一压电片粘贴于结构表面的三层板进行建模,以结构的几何尺寸或驱动电压为设计变量,实现梁板结构的单点和多点形状最优控制设计.对比两种优化方法的计算结果,吻合良好,验证了程序的有效性.本文的计算理论和方法可以为复杂压电层合智能结构的主被动控制设计提供参考.     

基于能量准则的梁振动多模态主动控制的LQR法

选用以结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR算法,在单对压电元件进行梁振动主动控制的基础上,使用多对压电元件进行主动控制．运用该算法对压电层合梁的振动控制进行了分析计算．数值算例表明该方法能够有效地控制多阶模态并减小控制能量的消耗．由此,进一步验证了以结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR算法的正确性。     

主动约束阻尼板压电层电压拓扑优化研究

建立主动约束层阻尼板有限元模型,以结构模态阻尼比最大化为目标函数,压电层总电能消耗为约束条件,压电层单元控制电压为设计变量,对主动约束层阻尼板压电层电压进行了拓扑优化,获得了压电层电压最优拓扑分布。通过引入虚拟设计变量,将压电层电压控制不连续问题转化为连续问题。考虑实际工程应用的需要,采用指数函数对电压中间变量进行惩罚。在灵敏度分析基础上,采用移动渐进线(MMA)法,求解了主动约束层阻尼板电压拓扑优化问题。数值算例证实了电压拓扑优化模型以及数值求解方法的有效性。     

虚拟层合单元在平面梁和拱形状优化中的应用

本文在虚拟层合单元的基础上,为适应形状优化时边界变化的特点,构造了曲线分层的虚拟层合梁单元,这样,求解优化问题时仅把特定的层厚作为设计变量,无须改变原始数据结构,有限元网格只在优化初始生成一次即可,具有单元数少、设计变量少的优点,算例表明此法计算简便,结果可靠,具有良好的工程应用前景。     

智能梁的静态形状控制

直接从位移函数出发，用Hamilton原理推导了压电智能梁结构的有限元方程，并采用灵敏度分析方法来确定结构的优化控制电压，在此基础上建立了结构自适应梁。最后采用数值分析来验证其有效性，从仿真结果可以看出文中的方法对梁结构的静态形状控制，有较好的控制精度。     

考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景. 由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一. 为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法. 基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标. 优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法. 优化问题采用基于梯度的数学规划法求解. 数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.      

考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景.由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一.为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法.基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标.优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法.优化问题采用基于梯度的数学规划法求解.数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.     

压电复合材料层合梁的分岔、混沌动力学与控制

研究了简支压电复合材料层合梁在轴向、横向载荷共同作用下的非线性动力学、分岔和混沌动力学响应. 基于vonKarman理论和Reddy高阶剪切变形理论,推导出了压电复合层合梁的动力学方程. 利用Galerkin法离散偏微分方程,得到两个自由度非线性控制方程,并且利用多尺度法得到了平均方程. 基于平均方程,研究了压电层合梁系统的动态分岔,分析了系统各种参数对倍周期分岔的影响及变化规律. 结果表明,压电复合材料层合梁周期运动的稳定性和混沌运动对外激励的变化非常敏感,通过控制压电激励,可以控制压电复合材料层合梁的振动,保持系统的稳定性,即控制系统产生倍周期分岔解,从而阻止系统通过倍周期分岔进入混沌运动,并给出了控制分岔图.      

压电结构振动控制及压电片位置优化的遗传算法

采用比例反馈控制,由线弹性压电层合结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程.采用三维八节点实体耦合单元(Solid5)模拟压电致动器/感应器,三维实体单元(Solid45)模拟主结构,利用ANSYS中参数化语言(APDL)编写了压电层合智能结构的有限元程序.以零一最优问题来描述致动器/感应器的位置优化问题,...     

压电层合梁静动力学分析的高精度梁单元

给出了一个对复合材料压电层合梁进行数值分析的高精度压电层合梁单元。基于Shi三阶剪切变形板理论的位移场和Layer-wise理论的电势场,用力-电耦合的变分原理及Hamilton原理推导了压电层合梁单元列式。采用拟协调元方法推导了一个可显式给出单元刚度矩阵的两节点压电层合梁单元,并应用于压电层合梁的力-电耦合弯曲和自由振动分析。计算结果表明,该梁单元给出的梁挠度和固有频率与解析解吻合良好,并优于其它梁单元的计算结果,说明了本文所给压电层合梁单元的可靠性和准确性。研究结果可为力-电耦合作用下压电层合梁的力学分析提供一个简单、精确且高效的压电层合梁单元。     

Shape optimization of a body located in incompressible flow using adjoint method and partial control algorithm

The purpose of this study is to obtain an optimal shape of a body located in an incompressible viscous flow. The optimal shape of the body is defined so as to minimize the fluid forces acting on it by determining the surface coordinates based on the finite element method and the optimal control theory. The performance function, which is used to judge the optimality of a shape, is defined as the square sum of the drag and lift forces. The minimization problem is solved using an adjoint equation method. The gradient in the adjoint equation is affected by the finite element configuration. The use of a finite element mesh whose shape is appropriate for the procedure is important in shape optimization. If the finite element mesh used is not suitable for computations, the exact gradient is not calculated. Therefore, a structured mesh is used for the adjacent area of the body and all finite element meshes are refined using the Delaunay triangulation at each iteration computation. The weighted gradient method is applied as the minimization technique. Using an algorithm in which all nodal coordinates on the surface of the body are employed and starting from a circle as an initial shape, a front‐edged and rear‐round shape is obtained because of the vortices at the back of the body. To overcome this difficulty, we introduced the partial control algorithm, in which some of the nodal coordinates on the surface of the body are updated. From four cases of computational studies, we reveal that the optimal shape has both sharp front and sharp rear edges. All computations are conducted at Reynolds number Re=250. The minimum value of the performance function is obtained. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

压电智能结构模糊自学习控制(FSLC)

将模糊逻辑与学习控制的基本思想相结合,根据控制系统的动态输出特性,采用模糊控制对学习控制律中的参数进行实时校正,实现系统的动态学习过程,提出了一种适用于压电智能结构振动控制的模糊自学控制方法FSLC（FuzzySelf-LearningContr01）。分别采用三维8节点实体单元（Solid45）和耦合单元模拟主结构和压电致动器／传感器,基于ANSYS参数化语言编写了压电智能结构振动控制分析的有限元程序。通过数值仿真证明了模糊自学习控制方法能有效控制压电结构的振动,并提高了自学习控制的收敛速度和获得了很好的控制效果。     

压电智能桁架的灵敏度分析与优化设计

在压电桁架结构的有限元分析方法基础上，考虑电荷载和机械荷载联合作用的机电耦合效应，给出了压电智能桁架的位移和自振频率对常规尺寸设计变量和形状设计变量的灵敏度计算公式，增加了电压这一类新的设计变量，给出了位移对电压的灵敏度计算方法。在此基础上实现了通过优化压电主动桁架的电压进行变形控制的方法，并在JIFEX软件中实现了压电桁架的灵敏度分析与优化设计。文中给出的数值算例验证了算法和程序的有效性。     

基于压电曲壳单元的结构振动最优控制

曲壳结构已广泛应用于航空航天、航海等领域,结构微小的振动会极大地影响部件性能,抑制曲壳结构的振动就很必要。提出了压电曲壳结构的振动最优控制模型,利用空间曲壳单元理论及多点约束方程实现曲壳基结构壳元和压电壳元的耦合,推导了压电曲壳结构动力学有限元方程,并结合线性二次型最优控制理论,实现了压电作动器对曲壳结构的振动最优控制。数值算例表明,对曲壳结构进行动力分析和振动控制时,在达到同样精度及控制效果的情况下,与平壳相比,曲壳单元及作动器所需数目要少得多。     

基于LQG最优控制法的压电智能结构独立模态空间控制

采用压电材料作为传感器和驱动器对智能结构振动主动控制进行研究,基于机电耦合的压电智能结构传感和驱动方程,将振动控制动力学方程变换到模态空间对方程进行解耦。通过计算结构最大应变,确定压电元件的最佳粘贴位置。考虑到系统过程噪声和量测噪声的影响,设计Kalman滤波器,采用基于线性二次型高斯(LQG)最优控制的独立模态空间控制方法对压电智能结构的振动进行控制。最后以压电智能悬臂梁为例进行控制仿真,验证了此方法的有效性。     

压电智能结构荷载识别方法的研究

采用压电智能结构实测荷载的输出响应，基于BP神经网络与有限元逆分析提出一种识别荷 载位置及大小的方法. 首先在结构的不同位置施加单位荷载由有限元方法计算得到网络的学 习样本，经网络作逆分析识别荷载位置，继而通过有限元逆逼近方法确定荷载大小的最小二 乘解. 数值算例表明，该方法计算速度快、精度高，不受结构几何形状和边界条件的限制， 用于识别实际压电智能结构不确定荷载的位置及大小是可行的.     

含压电片梁的静变形控制

首先借助阶梯函数，建立了含有任意分布的用作执行器的压电片的梁挠曲轴线方程。然后利用该方程，进行了梁的静变形控制的研究。最后结合实例，用“遗传＋配点”法对压电片的位置和尺寸进行了优化。结果表明，本文建立的挠曲方程形式简洁，求解简单：“遗传＋配点”法优化效果明显。     

Static shape control of laminated plate containing piezoelectric patches

By applying the Heaviside function, the equations governing laminated plates possessing spatially distributed piezoelectric patches have been established. Based on these equations, static shape control of laminated plates is discussed. By using a genetic and collocation algorithm, the optimal locations and scales of these piezoelectric patches have been selected. Numerical examples are presented to illustrate the efficiency of the algorithm and the piezoelectric actuators.     

含压电片层合板的静变形控制

借助阶梯函数，建立了含有任意分布的用作执行器的的压电片的层合板弯曲方程，然后利用该方程，进行了层合板静变形控制的研究，最后给实例，用“遗传＋配点”法对压电片的位置和尺寸进行了优化。结果表明，用压电片作执行器，用“遗传＋配点”法进行优化是对板进行静力变形控制的一条有效途径。