压电曲壳结构形状控制和优化设计

板壳结构作为航空、航天工程以及控制系统中的重要工作元件,在工作状态 中,要承受机械载荷、温度载荷、冲击载荷等各种负面影响, 而航空航天部件对结构形状变化非常敏感,如飞行器机翼、信息接收天线等结构, 微小的结构变形就会引起很大的性能改变,想要在设计初始阶段充分考虑所有不 利因素的影响显然是比较困难的. 利用压电材料控制结构变形往往是现代空间结 构开关控制中一个很好的选择. 基于一般壳体有限单元法, 推导了空间任意曲壳 压电单元, 利用约束方程连接主体壳元和压电壳元, 模型中约束方程的使用大大 减少了结构自由度, 使得计算速度有了明显的提升. 在此基础上, 重点研究了压 电曲壳结构的形状控制方法, 首先利用最小二乘法优化结构的电压分布, 控制结 构形状接近最优工作状态; 其次构建了以压电壳元厚度和电压联合作为设计变量 的优化控制模型, 采用非线性优化求解方法, 取得了更好的控制效果. 数值算例 表明了该文计算模型、 优化设计和控制方法的有效性.     

埋入压电元件的自适应层合板形状控制的数值分析

把压电元件埋入复合材料层合板中，层合板就变成压电自适应层合板，它除了具有承载能力外，还具有检测、动作、变形等功能。本文用有限元法对压电自适应层合板进行了分析，压电元件的驱动效应被等效为力学载荷。计算过程因此得到了简化，所得算例１的计算结果得到了实验结果的验证。在此基础上，利用非线性规划方法，对结构形状的最优控制进行了分析，并给出了算例２的分析结果。     

压电激励圆形曲梁的静态响应及位移控制

研究压电激励圆形曲梁的静态位移响应及位移控制的参数特性。将压电夹层圆形曲梁等效为单层结构,基于一维小曲率曲梁理论,建立其控制方程。在集中弯矩和径向集中力以及电载荷作用下,分析了带压电激励器的圆形悬臂曲梁的静态响应。与有限元结果比较表明:本文的理论模型能够模拟压电激励的小曲率圆形曲梁的静态响应。压电夹层圆形曲梁在任意位置的径向集中力载荷作用下,控制其自由端径向位移响应为零,求得控制电压的解析表达,数值分析表明:随着集中力载荷的位置变化和梁长的变化,最优控制电压将出现峰值和反号。     

高效的三维曲梁单元

三维井眼中延伸数千米的三维细长圆截面钢钻柱应力分析问题是一个复杂的力学问题,通常使用有限元数值分析方法对其进行受力分析。而在进行有限元分析时,现有的圆弧曲粱单元和空间直粱单元在几何上都不能很好地模拟三维曲线形状的钻柱。为了确保计算精度．其单元划分势必不能过大,结果是计算时间长,收敛性差。为了解决这一问题,显然必须构建一种新的较有效的曲梁单元。基于自然坐标系,依据圆截面空间曲粱单元节点有6个自由度——3个线位移和3个角位移,利用包含全部刚体位移模式和常应变的形函数,忽略剪切变形,假设变形后的梁轴线的弯曲曲率改变为线性变化,建立起了保证收敛性的具有12个自由度的有初始曲率和挠率的圆截面空间曲梁的有限元模型。为了证明给出的有限元模型的高效性,分析了几个静态问题,并与现有文献中的解析解或数值结果进行了比较。基于所给出的结果,可望该有限元模型可以作为分析三维空间曲粱结构的有效工具。     

基于遗传算法和梯度算法压电层合结构的最优形状控制

基于压电层合结构的有限元方程,运用ANSYS/APDL语言,编制了力-电耦合有限元分析程序(MPFEMP).以该程序为计算基础,采用遗传算法和一阶梯度优化算法,以压电片尺寸为设计变量,以压电层合梁和板的预期位移或最小重量为目标函数,给定初始变量和适应度函数,通过循环迭代MPFEMP计算程序,研究了多点控制的压电层合梁板结构的形状最优控制.结论对比分析证明了两种优化方法分析压电层合结构的有效性,同时,对复杂多层智能结构的最优形状控制和主动控制研究具有一定的参考价值.     

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     

曲梁压电俘能器强迫振动的格林函数解

本文运用格林函数法求解了曲梁压电俘能器在强迫振动下的解析解.运用微分法分析了压电层合曲梁结构面内各内力,根据曲梁压电 俘能器的动力学方程组,基于压电本构关系,建立了包含径向阻尼但不考虑俘能器曲梁结构部分的轴向力以及轴向惯性项的Prescott力 电耦合模型. 采用Laplace变换法求得了耦合振动方程的格林函数解.根据叠加原理和格林函数的物理意义,对耦合的系统方程解耦进而 求得强迫振动下曲梁压电俘能器的输出电压. 数值计算中,通过与现有文献的解析解进行对比,验证了本文解析解的有效性,并研究了阻 尼、电阻等重要物理参数对压电函数和谐振频率的影响.通过与有关传统直梁压电俘能器研究成果的对比,体现了曲梁压 电俘能器Prescott模型的高效集能特性. 数值分析研究表明:(1)使得曲梁俘能器达到最大输出电压时连接的最优负载电 阻为1 M$\Omega$;(2)通过更换适当的基底材料,降低材料的弹性模量,可以改变曲梁俘能器的高基频现象,以使结构适应 更复杂的工作环境,但这会导致俘能器的工作效率降低.      

压电层合板结构振动控制的有限元法

利用有限元方法模拟压电结构的振动控制，从Ｈａｍｉｌｔｏｎ理论出发推导出具有压电传感器及激励器的层合板的电耦合动力方程，应用Ｌｙａｐｕｎｏｖ及负速度反馈控制算来实现振动的控制。     

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.     

压电材料在智能结构形状和振动控制中的应用

综述了压电材料在智能结构形状和振动控制中的应用．基于大量国内外有关压电介质的文献,对在分布的压电材料的表面建立力学特性与电学特性的一一对应关系,以及与之对应的分布感测、分布控制理论和混合控制理论,作了全面阐述．首先概述了研究压电材料的重要意义,然后介绍了压电本构关系和有关压电板壳的力学理论和控制理论．着重阐述了研究压电结构的数值方法与实验．展望了该领域今后的研究方向．      

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。     

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。     

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.     

压电材料三维问题的虚边界元——最小二乘配点法

从压电材料三维问题的基本方程出发,利用已有的压电材料三维问题的基本解以及弹性力学虚边界元方法的基本思想和线性叠加原理,提出了压电材料三维问题的虚边界元——最小二乘配点解法。虚边界元解法继承了传统边界元方法的优点,并且有效避免了传统边界元方法中可能遇到的边界积分奇异性问题。最后,文章给出了压电材料三维问题的几个数值算例,并且与解析解做了比较,结果表明本文的方法具有较高的精度,是解决该问题一个十分有效的数值求解方法。     

Test method for measuring strength of a curved sandwich beam

A fixture for testing curved sandwich beams in flexure was designed and evaluated. The test specimen is a continuous sandwich beam consisting of a central circular 90° region connected by two straight legs. The fixture was designed according to the four-point flexure principle to produce a pure bending moment in the curved region. The validity of the test fixture in producing the desired loading was examined by fitting a curved aluminum bar of similar bending stiffness as the sandwich beams considered. Strain gage readings were successfully compared to predictions from curved homogeneous beam theory. In addition, the deflection of the beam at the loading points was analyzed using straight and curved beam theory for the various sections of the beam, and predictions were compared to measured load-displacement response. Good agreement was achieved between experimental and analytical results lending confidence to the test principle. Curved sandwich beams consisting of glass/polyester face sheets over a PVC foam core were tested to failure and the loading response of the beams and their failure behavior are discussed. It was found that the beams failed at the upper face/core interface due to radial tension stress.     

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。     

Damping the vibrations of a rectangular plate with piezoelectric actuators

The paper addresses the active damping of nonstationary vibrations of a hinged rectangular plate with distributed piezoelectric actuators. The problem is solved by two methods: (i) the classical method of balancing the fundamental vibration modes by applying the appropriate potential difference to the actuator and (ii) the dynamic-programming method that reduces the problem to an algebraic Riccati equation. The results produced by both approaches are presented and compared __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 44, No. 2, pp. 78–84, February 2008.     

Amplitude control on hinged-hinged beam using piezoelectric absorber: Analytical and numerical explanation

This study deals with the problem of reducing the amplitude vibration of flexible structures. Piezoelectric ceramics have been chosen as actuators. After modelling, we derive the corresponding equations governing the dynamic behaviour of structures under control. An analytical approach has been developed to obtain accurate control parameters and tested numerically. A variety of voltage source conditions on control design have been explored. These have been tested numerically.