支架振动的主动控制研究

利用压电材料的机电耦合特性，采用数值分析和实验相结合的方法研究了压电材料对支架的振动控制。利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理，采用速度反馈，并考虑压电材料的机电耦合效应推导了振动主动控制有限元方程，分析了不同约束，不同压电片布置情况下支架的振动控制，实现了压电片的优化布置，同时用实验验证了数值分析的正确性。     

支架的振动控制

利用 Hamilton原理 ,考虑压电材料的机电耦合效应 ,建立含压电材料结构的有限元控制方程。采用数值分析方法研究了支架振动的主动控制、主被动联合控制和振动隔离 ,对改善支架动态特性有实用价值     

支架振动主动控制的实验研究

用实验方法研究了支架振动主动控制。结果表明，用压电陶瓷片作传感器和作动器，采用速度反馈控制，无论是谐和激励还是随机激励，支架振动都能得到有效抑制。振动控制中压电陶瓷片作传感器既简便易行，又减少了附加质量对被控结构动态特性的影响。     

压电功能梯度板自由振动的三维解

基于三维弹性理论和压电理论，导出了有限长矩形压电功率梯度板的动力学方程及相应的边界条件，并用幂级数展开法进行了求解，得到了压电功能梯度板自由振动的三维精确解公式，求解了自由振动的固有频率，并分析了压电系数的梯度变化对不同电学边界条件下压电板的自由振动频率的影响，结果可用于校核不同的近似理论及理解压电结构的动态行为。     

用两种功能材料综合控制智能梁的振动

给出了用两种材料对梁进行振动控制的综合控制方法。采用多层分布压电层进行精密主动控制时,将压电传感层和压电致动层分割成若干单元来设计压电模态传感器和压电模态致动器,进而实现了梁的模态控制,同时利用形状记忆合金的超弹性特性对梁进行被动控制来抑制梁的大振幅振动,取得了很好的控制效果。     

层叠式PVDF压电作动器及圆柱壳的振动主动控制

设计了一个层叠式PVDF压电作动器用于壳结构的振动控制。考虑压电层、粘接层、壳体耦合关系,推导了表面局部粘贴层叠式PVDF压电作动器的圆柱壳的振动控制方程,给出了作动力与压电层和粘接层层数、厚度之间的关系以及作动力与作动器粘贴位置之间的关系。针对一端固定、另一端自由的圆柱壳,进行了振动控制仿真。结果表明层叠式PVDF压电作动器作动力与作动器层数近似成线性关系,增大作动器层数能有效增大作动力,在低控制电压下能显著抑制圆柱壳振动,作动器周向不完全粘贴时,在径向产生的径向作动力对壳体横向振动控制非常有利。说明了层叠式PVDF压电作动器是一种可用于壳体结构振动并具有良好作动效果的作动器。     

压电套筒式拉压双向受力主动杆件设计及测试

压电堆具有体积小、频响快、能耗低以及集传感与驱动于一体等优点。结合二次驱动机械设计原理,开发了适应于结构振动控制的压电套筒式拉压双向受力主动杆件。本文介绍了主动杆件的设计方法及构成部件,并给出了详细的工作原理图,阐述了主动杆件为充分发挥压电堆良好受压性能而将拉力转化为压力的传力途径,并运用Hamilton原理,对主动杆件进行了有限元建模。通过对压电堆的性能测试,得到了压电堆的电压-位移输出关系以及动态性能曲线;通过对压电主动杆件的动力性能测试,得出压电主动杆件适宜于在20Hz～50Hz频段范围内工作;由驱动性能测试,得到了主动杆件的增益函数。本文结论可为进行结构抗振提供设计参考。     

基于反激变压器的压电振动能量双向操控技术

压电材料因其具有良好的机电耦合特性, 在振动能量俘获和结构振动控制领域有着良好的应用前景. 基于同步开关和电感的压电元件接口控制电路, 可以通过振荡电路工作原理调节压电元件的电压幅值和相位, 优化压电振动系统的机电能量转化. 优化型同步电荷提取技术即基于上述接口控制电路实现了压电振动能到电能的高效转换. 本文提出了一种衍生于优化型同步电荷提取电路的压电阻尼半主动控制电路, 借鉴反激变压器的原、副边能量转换特性, 实现了压电振动控制系统从电能到机械能的能量操控, 进而达到结构振动抑制的效果. 至此, 结合了压电电荷能提取与压电阻尼半主动控制技术的新电路, 以反激变压器为核心实现了压电振动能量的双向操纵. 论文首先介绍了相应的控制电路及工作原理, 推导了新型同步开关阻尼技术下的结构的振动阻尼比模型, 搭建了压电悬臂梁振动控制实验平台, 最终通过实验验证了理论模型, 并使用更简单的控制方法解决了振动控制系统的稳定性问题.      

智能板振动控制的分布压电单元法

提出了一个用于振动控制的分布压电单元法，该方法中采用将分布压电传感器和致动器分割成若干相互独立的单元的方法，来设计压电模态传感器与压电模态致动器．压电模态传感器所观测的模态坐标和模态速度，可从各传感单元的输出电荷及电流中提取出来；而压电模态致动器则通过调制施加于其上的电压的空间分布来实现．在此基础上对智能板进行了模态控制     

复合材料层合板的颤振特性及振动抑制研究

研究了超声速流中压电复合材料层合板的颤振特性及振动抑制方法。采用一阶活塞理论计算了超声速流场中的气动压力,基于经典层合板理论和Hamilton原理推导了压电复合材料层合板的动力学模型,设计了滑模观测器以减少观测溢出,通过Lyapunov方法证明观测器的稳定性,应用观测状态设计了LQR控制器,讨论了几何参数、铺设角度对压电复合材料层合板颤振特性的影响,利用SIMULINK仿真求解了层合板的脉冲响应,验证了控制器的有效性。结果表明,合理规划层合板的几何参数和铺设角度可提高系统颤振稳定性,滑模观测器能够较为准确地追踪原始系统且具有良好的鲁棒性,LQR控制可以在一定范围内消除层合板的颤振点,并且能够有效地控制压电复合材料层合板在颤振边界处的振动,Q矩阵越大,振动控制效果越好,压电层厚度越大,LQR控制效果越好。     

Three-dimensional free vibration analysis of functionally graded piezoelectric annular plates on elastic foundations

Three-dimensional free vibration analysis of functionally graded piezoelectric (FGPM) annular plates resting on Pasternak foundations with different boundary conditions is presented. The material properties are assumed to have an exponent-law variation along the thickness. A semi-analytical approach which makes use of state-space method in thickness direction and one-dimensional differential quadrature method in radial direction is utilized to obtain the influences of the Winkler and shearing layer elastic coefficients of the foundations on the non-dimensional natural frequencies of functionally graded piezoelectric annular plates. The analytical solution in the thickness direction can be acquired using the state-space method and approximate solution in the radial direction can be obtained using the one-dimensional differential quadrature method. Numerical results are given to demonstrate the convergency and accuracy of the present method. The influences of the material property graded index, circumferential wave number and thickness of the annular plate on the dynamic behavior are also investigated. Since three-dimensional free vibration analysis of FGPM annular plates on elastic foundations has not been implemented before, the new results can be used as benchmark solutions for future researches.     

有限长压电层合简支板自由振动的三维精确解

基于三维弹性理论和压电理论，导出了有限长矩形压电层合简支板的动力学方程及相应的边界条件，给出了一种求解压电层合板自由振动三维精确解的方法；分析了正、逆向压电效应对层合板振动频率的影响．本文所述的方法和结果对于求解其他三维动态问题，验证、比较其他简化模型、有限元计算结果以及工程应用都有指导意义．     

面内压电振动能量采集动力学设计与性能研究

压电振动能量采集将环境中普遍存在的机械能转换为电能,可以实现自供能传感、控制与驱动,具备灵活、节能环保、可持续的优势,具有广阔的应用前景。为了促进压电振动能量采集器件的集成与融合,提出面内压电振动能量采集,将压电振动能量采集器进行扁平化设计,使其在二维平面内采集振动能量,在保证较大功率输出下能够显著减小器件所需三维空间。为了提高输出功率与工作频宽,设计了具有双稳态与力放大机制的面内压电振动能量采集器。考虑弯张小变形,通过能量法建立了面内压电振动能量采集器的机电耦合动力学模型。分析了关键设计参数对面内压电振动能量采集器性能的影响。数值仿真了面内压电振动能量采集器在简谐激励下的俘能性能,结果表明,通过合理的设计,面内压电振动能量采集器可以低频、宽频弱激励下有效俘获能量。面内压电振动能量采集设计方法有利于推动便携式、可穿戴式自供能等方面的应用和产业化。     

航天支架结构的被动振动控制

重点研究了航天支架结构的被动振动控制问题。在约束阻尼层有限元模型理论分析的基础上，对未附加约束阻尼层的支架计算模态和试验模态进行了相关性分析，制定出被动振动控制策略；通过分析附加约束阻层后支架计算模态和试验模态相关性，建立了有效的支架有限元模型，进一步用于各种情况的动态响应计算和分析。计算了实验结果表明，该控制策略取得了很好的减振效果，为同类结构振动控制问题提供了一个良好的模型参考。     

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。     

非线性压电效应下压电弯曲执行器的动力分析

研究压电弯曲执行器在强电场作用下的非线性动力行为．考虑电致伸缩和电致弹性的非线性压电效应,导出了压电悬臂执行器变刚度的弯曲振动控制方程．利用非定常振动的渐近理论,讨论了弯曲压电执行器的动力特征．根据目前的非线性模型可以计算压电悬臂执行器的固有共振频率与电场的变化关系．结果表明压电执行器端头挠度谐振幅度随作用电场振幅的增大而增大,以及力学品质因数随电场振幅的增大而减少,并且与实验结果非常吻合．通过数值比较得到在电场频率随时间变化非常缓慢的情况下非定常振动问题可以近似地用定常振动来处理．     

Time-varying nonlinear dynamics of a deploying piezoelectric laminated composite plate under aerodynamic force

Using Reddy’s high-order shear theory for laminated plates and Hamilton’s principle, a nonlinear partial differential equation for the dynamics of a deploying cantilevered piezoelectric laminated composite plate, under the combined action of aerodynamic load and piezoelectric excitation, is introduced. Two-degree of freedom (DOF) nonlinear dynamic models for the time-varying coefficients describing the transverse vibration of the deploying laminate under the combined actions of a first-order aerodynamic force and piezoelectric excitation were obtained by selecting a suitable time-dependent modal function satisfying the displacement boundary conditions and applying second-order discretization using the Galerkin method. Using a numerical method, the time history curves of the deploying laminate were obtained, and its nonlinear dynamic characteristics, including extension speed and different piezoelectric excitations, were studied. The results suggest that the piezoelectric excitation has a clear effect on the change of the nonlinear dynamic characteristics of such piezoelectric laminated composite plates. The nonlinear vibration of the deploying cantilevered laminate can be effectively suppressed by choosing a suitable voltage and polarity.     

Dynamic focusing effect of piezoelectric fibers subjected to thermal shock

Based on finite Hankle transforms, this paper presents a theoretical method for analyzing the dynamic focusing effect of piezoelectric fibers subjected to the thermal shock of a transitory temperature change produced by a sudden electric current pulse. From analytical expressions and example calculations for two kinds of piezoelectric fibers, PZT-4 and BaTiO₃, it is found that the dynamic focusing effect is dependent on the material property of the piezoelectric fibers so that the maximum dynamic stress amplitude of the two kinds of piezoelectric fiber occur at different radial points. The mechanism of the dynamic focusing effect in piezoelectric fibers is relevant to the evaluation of the dynamic strength and electric signal of the piezoelectric fiber. The results carried out may be used as a reference to solve other transient coupled electrothermoelasticity problems in piezoelectric structures.