具有压电材料薄板弯曲控制的有限元法

考虑一均匀各向同性薄板结构,在其上下表面离散分布状压电执行元件,在横向外载和电压共同作用下,分析板的弯曲变形,并通过变化作用于执行元件上的电压对板的变形进行控制,根据逆压电效应将电压转换成作用于板上的等效作用量,用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理导出压电结构板弯曲变形的有限元公式,并对环形板情况进行数值计算。     

压电智能环形板的主动控制

对在不同位置粘有任意多组压电传感器和压电执行器的轴对称弹性环形薄板的振动控制进行了研究．根据压电执行元件的等效作用量得到了压电智能环板的振动控制方程和传感方程,再利用分离变量法以及由传感器测得的电量和作用在执行器上电压之间的控制模式得到振动方程的全解．实行了对整体结构的主动控制．对不同的压电片布置进行了数值计算．结果表明：当离散分布压电元件布置越密,振动衰减的效果越佳     

含压电材料智能结构动态特性的研究

本文推导了含压电材料智能结构有限元动力方程,讨论了智能结构系统的动态特性,得到了模态形状和相应的模态电压以及考察了具有分布的压电传感器和执行器的四边简支方板的各阶固有频率随以馈增益的变化规律,这些结果将在智能结构控制的优化设计中起到了很大的作用。     

智能梁振动主动控制的广义位置函数法

研究了具有离散分布式压电传感器、执行器的智能梁,在外加电场作用下振动模态与外加电场之间的耦合关系,提出了智能梁主动控制的一种新的计算方法-广义位置函数法,并引入执行器位置函数的级数展开式,简化了计算,结果表明,智能梁振动控制效果与压电执行器长度、数目以及位置有密切的关系。     

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     

压电板屈曲和后屈曲的有限元分析

采用板的一阶剪切理论,并考虑结构的几何非线性,基于Total Lagrange方法,建立了在弱非线性耦合假设下压电智能结构的有限元控制方程.分析了不同边界条件下压电板的屈曲和后屈曲.计算结果表明,在单向压力作用下,材料的压电效应和外加电压对板的屈曲载荷及后屈曲影响很小;而电场对位移加载简支板的屈曲影响较显著.该文为压电材料的工程应用提供了理论指导,同时提供了一种有效的有限元分析方法.     

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.论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.     

压电弹性层合板静力机电耦合特性的解析解

应用经典板壳理论和压电理论对层合板结构进行简化.对四边简支压电层合板在不同电学边界条件下,包括四边电学开路和电学短路,上下表面受外加电压及无外加电压作用,进行分析,求得了电势和挠度的解析表达式.给出了压电层和基体的挠度、电势分布图.     

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.     

Nonlinear active control of damaged piezoelectric smart laminated plates and damage detection

Considering mass and stiffness of piezoelectric layers and damage effects of composite layers, nonlinear dynamic equations of damaged piezoelectric smart laminated plates are derived. The derivation is based on the Hamilton＇s principle, the higher- order shear deformation plate theory, von Karman type geometrically nonlinear straindisplacement relations, and the strain energy equivalence theory. A negative velocity feedback control algorithm coupling the direct and converse piezoelectric effects is used to realize the active control and damage detection with a closed control loop. Simply supported rectangular laminated plates with immovable edges are used in numerical computation. Influence of the piezoelectric layers＇ location on the vibration control is in- vestigated. In addition, effects of the degree and location of damage on the sensor output voltage are discussed. A method for damage detection is introduced.     

Assessment of shunted piezoelectric devices for simultaneous noise and vibration reduction: comparison of passive,active and hybrid networks

Structural vibration and noise control of a cavity-backed three-layered smart piezo-coupled rectangular panel system under harmonic or transient loads is achieved by using purely active, passive, and hybrid active/passive piezoelectric shunt networks. Problem formulation is based on the classical lamination plate theory, Maxwell’s equation for piezoelectric materials, linear circuit theory, and wave equation for the enclosed acoustic domain. The orthogonal mode expansions along with the modal coupling theory are employed to obtain the coupled differential equations of the electro-mechanical-acoustic system, which are then put into the convenient state-space form, and subsequently solved numerically in both frequency and time domains. A triple-mode hybrid RLC shunt circuit, in series with an external active voltage source and connected to a single electroded piezoelectric segment, is tuned to the dominant resonance frequencies of the composite structure. The linear quadratic optimal control (LQR) theory is adopted for obtaining the active control gains. The frequency and time domain performances of the passive, active and hybrid multi-modal piezoelectric systems are calculated and discussed in terms of sensor output voltage, local sound pressure, and control effort. It is found that the hybrid control methodology with properly tuned circuit parameters can be an excellent candidate for simultaneous vibration and structure-borne noise control of the cavity-coupled smart panel with decreased control effort. Also, the active control strategy integrated in the hybrid control system is demonstrated to enhance the overall system damping characteristics and improve the control authority at frequencies where the passive shunt network performs weakly. Limiting cases are considered and correctness of the mathematical model is verified by using a commercial finite element software as well as by comparisons with the literature.     

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。     

面向压电智能结构精确变形的协同优化设计方法

智能结构集智能材料与传统材料于一体,能够实现结构的主动控制,在航空航天等领域具有巨大的应用潜力.由于其系统复杂且具有多场耦合效应,智能结构的整体式优化设计方法成为结构控制技术研究的关键之一.为了提高压电智能结构的整体性能和变形精度,提出了同时考虑压电驱动器布局(分布位置及角度)和基体结构拓扑构型的协同优化设计新方法.采用多点约束方法 (multi-point constraints,MPC)建立压电驱动器和基体结构的连接,定义一种与测量点目标位移相关的权重函数,以实现结构的精确变形控制.通过协同优化设计,压电驱动器可以获得最优的分布位置及角度,同时基体结构获得最优的拓扑构型,从而提升了压电智能结构系统的整体驱动性能和变形精度.通过进一步分析,研究了精确变形、体分比约束与结构优化构型和整体刚度的关系,以及优化结果中可能存在的传力路径畸变现象.数值算例的设计结果表明,采用协同优化设计方法,能够扩大结构的寻优空间,有效减小变形误差,实现压电智能结构的精确变形控制.     

Optimal bounded control for nonlinear stochastic smart structure systems based on extended Kalman filter

An optimal bounded control strategy for smart structure systems as controlled Hamiltonian systems with random excitations and noised observations is proposed. The basic dynamic equations for a smart structure system with smart sensors and actuators are firstly given. The nonlinear stochastic control system with noised observations is then obtained from the simplified smart structure system, and the system is expressed by generalized Hamiltonian equations with control, random excitation and dissipative forces. The optimal control problem for nonlinear stochastic systems with noised observations includes two parts: optimal state estimation and optimal response control based on estimated states, which are coupled each other. The probability density of optimally estimated systems has generally infinite dimensions based on the separation theorem. The proposed optimal control strategy gives an approximate separate solution. First, the optimally estimated system state is determined by the observations based on the extended Kalman filter, and the estimated nonlinear system with controls and stochastic excitations is obtained which has finite-dimensional probability density. Second, the dynamical programming equation for the estimated system is determined based on the stochastic dynamical programming principle. The control boundedness due to actuator saturation is considered, and the optimal bounded control law is obtained by the programming equation with the bounded control constraint. The optimal control depends on the estimated system state which is determined by noised observations. The proposed optimal bounded control strategy is finally applied to a single-degree-of-freedom nonlinear stochastic system with control and noised observation. The remarkable vibration control effectiveness is illustrated with numerical results. Thus the proposed optimal bounded control strategy is promising for application to nonlinear stochastic smart structure systems with noised observations.     

机敏材料和机敏结构的力学分析

机敏材料是一种具有传感和执行的双重功能的功能材料，它无需外界的帮助，而本身就可以在电、磁、热、机械运动、光、声、化学、流变等等性能中的几项之间产生耦合行为，当机敏材料和具体结构形式结合在一起时便构成了机敏结构。本文重点介绍了比压电体更为一般化的线性电磁热弹性固体的一些基本理论，综述了压电体的材料力学分析以及压电体在机敏结构控制中的力学行为分析。最后则简略讨论了其它机敏材料中的力学分析。     

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。     

风嘴对旋转振荡板旋涡脱落的控制

5∶1矩形柱体被认为是通用桥面几何形状的代表,其简化模型可以用来进行风振控制的研究。风嘴作为一种常用的流动控制装置,能起到减阻和增加矩形板气动稳定性的效果,但控制装置对强迫振荡柱体的控制机理仍缺乏研究。研究者通过对节段模型施加强迫振动,在实验模型前部施加边缘型对称型风嘴,研究控制装置对矩形板尾流旋涡脱落的影响。通过流动显示结果,总结了施加风嘴后的四种旋涡脱落模式。并通过快速傅里叶变化频域分析法,得到实验模型后缘X/D = 10处的速度功率谱。施加风嘴控制能增大旋涡脱落频率,并抑制尾流旋涡脱落的能量。而数值模拟得到的不同实验工况下的升力均方根和力矩均方根显著减小,最大降幅分别为52%和23%,表明矩形板气动稳定性的提升和尾流不稳定性的减弱。