反求压电薄板智能结构荷载的有限元逆逼近方法

基于压电薄板智能结构提出一种有限元逆逼近反求结构荷载参量的方法，逼近目标函数以压电电荷响应为参量，迭代初值采用单位荷载预逼近方法；数值算例表明了该方法的有效性，可用于解决压电智能结构的荷载识别问题。     

基于荷载形函数的大跨桥梁结构移动荷载识别

大跨桥梁结构中的移动荷载识别是结构健康监测的重要组成部分之一,其作为动力学中的反问题,存在唯一性及稳定性等病态问题。本文首先推导出移动荷载作用下结构响应的卷积形式的离散公式,然后利用有限元理论中的形函数拟合移动荷载,推导出基于荷载形函数的移动荷载识别表达式。将移动荷载的识别转化为荷载形函数拟合系数的识别,降低了需要识别的未知量,减小了逆运算的计算量,消除或减弱逆问题病态性,并提高了计算效率。利用某大跨刚构-连续预应力混凝土桥梁修正后的有限元模型进行数值仿真,考虑路面粗糙度,由模态叠加法计算移动荷载作用下的响应;然后采用荷载形函数方法识别移动荷载,证明该方法在5%以下的噪声时能快速并精确识别复杂桥梁结构的移动荷载。     

压电智能梁的阻抗分析与损伤识别

压电陶瓷具有正、逆压电效应，可以用作自驱动传感器．该文对表面粘贴有单片压电陶瓷的压电智能钢梁进行了阻抗分析．讨论了单压电片驱动下钢粱的纵向振动和弯曲振动，得到了压电智能梁的机械阻抗．介绍了压电片与基梁的机电耦合作用及基于压电阻抗技术的结构损伤识别机理．以两端自由钢梁为例对压电智能梁的压电阻抗进行了数值与实验验证，结果表明数值计算结果与实验结果基本相符．利用压电阻抗技术对两端自由的裂纹钢梁进行了损伤识别实验研究，实验结果发现，裂纹的出现引起高频段压电阻抗实部和虚部曲线出现了明显的变化；随着裂纹尺寸的增大，曲线谐振频率和反谐振频率逐渐减小．由此可见，通过测量钢梁损伤前后压电陶瓷片的电阻抗变化能够识别梁中的裂纹损伤．     

埋入压电元件的自诊断智能结构的理论分析与实验研究

将压电元件埋设于复合材料层板结构中，可实现结构应变分布的在线监测。本文提出一种采用压电应变传感器阵列和人工神经网络模型的自诊断方法，对局部埋入压电应变传感元件的平板结构进行了分析，采用神经网络模型根据压电传感器组的输出识别结构承载位置和大小，对该方法进行了数值模拟和实验验证。     

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。     

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,...     

压电智能结构拓扑优化研究进展

压电材料因其变形精度高、反应速度快、易于制作成小型化元件已经被广泛应用于精密驱动、振动控制、精确定位等领域。改变压电智能结构中压电元器件的位置、大小、形状等参数能够有效地改善系统的力学性能，因而吸引了许多学者和工程师的关注和研究。拓扑优化作为有效的优化工具，已经成功应用于压电智能结构的优化设计中。本文首先阐述了压电智能结构拓扑优化的背景和意义，简要回顾了压电智能结构主动控制及分析方法，并综述了面向结构静变形控制的压电智能结构优化、面向振动控制的压电智能结构优化、压电俘能器的设计与优化等三个方面的研究进展。最后，简单归纳压电智能结构拓扑优化研究中值得关注的几个问题。     

压电智能结构拓扑优化研究进展

压电材料因其变形精度高、反应速度快、易于制作成小型化元件已经被广泛应用于精密驱动、振动控制、精确定位等领域。改变压电智能结构中压电元器件的位置、大小、形状等参数能够有效地改善系统的力学性能，因而吸引了许多学者和工程师的关注和研究。拓扑优化作为有效的优化工具，已经成功应用于压电智能结构的优化设计中。本文首先阐述了压电智能结构拓扑优化的背景和意义，简要回顾了压电智能结构主动控制及分析方法，并综述了面向结构静变形控制的压电智能结构优化、面向振动控制的压电智能结构优化、压电俘能器的设计与优化等三个方面的研究进展。最后，简单归纳压电智能结构拓扑优化研究中值得关注的几个问题。     

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。     

压电薄板屈曲有限元分析及DKQ单元

在机电耦合本构方程基础上,利用Hamilton原理推导了压电薄板屈曲分析的有限元特征方程和机电耦合的内力计算公式,在有限元实现中选择了基于Kirchhoff薄板假定的四边形薄板单元（DKQ单元）,并给出该单元的几何刚度阵及其数值积分方法。在大型通用有限元分析和优化设计软件系统JIFEX中实现了该方法。给出的数值验证了DKQ单元在屈曲分析和压电薄板静力分析中具有较高精度和收敛性,通过机械荷载和电荷载联合作用下的临界荷载计算,表明压电耦合效应能够影响结构的稳定性,可以通过改变外加电压对结构稳定性进行控制。     

Finite element formulation for active functionally graded thin-walled structures

For the analysis and design process of smart structures with integrated piezoelectric patches, the finite element method provides an effective simulation approach. In this paper, an attempt on modeling and simulation of the behavior of hybrid active structures is carried out using developed Kirchhoff-type-four-node shell element.The finite element results are compared with reference solutions taking into account the electromechanical responses of smart structures with various geometries, and the results show very high agreement. The main aspect of the application of the proposed element is to predict the behavior of FGM shells containing piezoelectric layers. A set of numerical analyses is performed in order to highlight the applicability and effectiveness of the present finite element model, notably for smart FGM structures. A comprehensive parametric study is conducted to show the influence of material composition, the placement and the thickness of the piezoelectric layers on the deformation of the laminated structure.     

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。     

PWAS激励Lamb波的谱有限元建模及参数研究

基于谱有限元法发展了一种由压电晶片主动传感器(PWAS)、胶层和主结构组成的三层模型,来模拟PWAS激励结构中Lamb波的传播。首先在各层使用不同的梁理论,推导PWAS-胶层-主结构三层模型的控制方程和力的边界条件,建立谱有限元模型。通过和传统的有限单元法进行比较,表明了在显著提高计算效率的同时,所发展谱有限元模型在分析结构中Lamb波传播上仍具有较高的精度。分析了激励频率、PWAS长度与厚度、胶层厚度等参数变化对输出电压信号的影响,可以为基于PWAS和Lamb波的主动健康监测技术提供参考。     

安装蜂窝板动力学特性分析及主动控制试验研究

通过对蜂窝芯的等效化处理,建立了ANSYS的壳单元模型,并作有限元模态分析,然后与其试验模态分析结果比较,有限元分析结果和试验结果基本一致。通过ANSYS的PSD随机功率谱分析和模态分析所得振型确定了贴片位置,对蜂窝板进行了压电智能结构振动主动控制试验研究,得到了较好的振动抑制效果。分析结果为仪器安装蜂窝板的设计和实现智能结构控制提供了重要参考依据。     

智能板结构振动特性的半解析法

为智能板结构振动特性的分析提出了一种半解析法.根据压电材料修正后的Hellinger-Re issner变分原理,推导了压电材料的Ham ilton ian等参元.智能板结构的基体板和压电块(压电传感器或驱动器)被看作独立的三维体,并用Ham ilton ian等参元分别离散板和压电块.考虑到板和压电块在连接界面上广义应力和广义位移的连续性,联立板和压电块的方程得到整个结构的方程组.数值实例的分析结果证明了方法的可靠性.     

An asymptotically correct classical model for smart beams

An asymptotically correct classical beam model has been developed for smart slender structures using the variational asymptotic method. Taking advantage of the slenderness of the structure, we asymptotically split the original three-dimensional electromechanical problem into a two-dimensional electromechanical cross-sectional analysis and a one-dimensional beam analysis. The one-dimensional beam analysis could be geometrically nonlinear or linear depending whether the original three-dimensional analysis is geometrically nonlinear or linear. The cross-sectional analysis, implemented using the finite element method, provides an asymptotically correct, one-dimensional constitutive model for smart slender structures without a priori assumptions regarding the geometry of the cross section, the distribution of the electric field, and the location of smart materials, such as embedded or surface mounted. Several examples are used to validate the accuracy of the present theory with available results in the literature and three-dimensional commercial finite element packages.     

智能板模态传感与控制的数值分析

智能结构技术对空间大型柔性结构 振动控制问题具有重要意义,采用独立模态空间控制技术对压电智能板进行主动振动控制是一种常用方法,以前对这一问题的研究仅限于解析的方法,本文采用有限单元法,设计了新的压电模态传感器与致动器,该方法能够适用于形状及边界条件较为复杂的智能板,算例分析证明了该方法的正确性。     

基于最小二乘的工程结构边界载荷反求误差消减方法

机械装备工程结构强度计算和疲劳寿命预测等都需要准确获知结构的工作或边界载荷。然而,由于土壤和砂石等工作介质的切削及铲运等精确阻力模型难以建立,以及机械装备动力传动过程中的摩擦等损耗难以精确计算,导致准确获得装备工作结构的边界载荷非常困难。依据圣维南原理,采用有限元法建立复杂结构中局部结构应变与其边界载荷的关系,对边界载荷反求过程中误差来源和范围进行了分析和估计,提出了基于最小二乘法的复杂结构局部边界载荷误差消减方法。对推耙机横梁结构的边界载荷进行分析,验证了该误差消减方法的有效性。