基于等效电路法的变三角截面驰振压电能量收集研究

随着能源危机的逐渐加剧,人们对压电俘能器研究的投入也与日俱增,目前常见的研究压电俘能器的模拟方法只能研究其接入简单的单一电阻负载电路时的性能,且不能解决压电俘能器的高强度直流电路耦合问题.因此,论文借助二阶范德波尔控制方程将压电俘能器的主要部件等效为电子元件,进而基于等效电路法建立了与变三角截面驰振压电振动俘能器相对应的等效电路模型.借助风洞实验验证了所建立的等效电路模型的准确性.采用该模型研究了外接电路,钝体顶角,外接电阻和来流速度对变三角截面驰振压电俘能器输出电压,输出功率和响应位移的影响,结果表明,随着电阻的增大,输出电压逐渐增大且增长率逐渐减小.交直流电路的最佳负载分别为1.05 MΩ和1.4 MΩ,当风速为7.03 m/s,钝体顶角为90°时,交直流电路输出电压和输出功率的峰值分别为41.34 V,0.974 mW和50.8 V,0.616 mW.随着钝体顶角的增大,输出电压,输出功率和响应位移均逐渐增大且增大的速度逐渐减小.等效电路模型可以高效,准确地对不同结构参数下和外界电路下的压电振动俘能器的输出功率,输出电压,响应位移及其影响因素进行研究,所提出的等效电路模型于加快对压电振动俘能器的研究与推广应用具有一定意义.     

变截面(变刚度)纵横弯曲梁

分析了受纵横弯曲载荷联合作用的变截面（变刚度）梁柱问题,并在钻柱力学分析中得到应用．     

直接基于单元平衡的变截面梁反应分析方法

固定形状的单元位移插值函数不能合理地近似变截面梁内部的位移变化,从而影响了传统梁单元用于计算变截面梁的精度.采用直接基于单元平衡的思想给出了计算变截面梁反应的有限元方法,解决了单元位移插值函数局限性所带来的问题.导出了变截面梁单元的单元刚度矩阵、单元等效节点荷载和单元一致质量矩阵.在此基础上,利用编制的程序进行了算例验证与分析.算例验证了本文理论的正确性,表明本文方法具有很高的计算精度.     

计算变截面梁变形的通用方程

本文根据梁内力的通用方程,推导出了适用于变截面梁变形的通用方程的两种形式:外力形式和内力形式.并且就这两种形式的通用方程在具体问题上的使用及其在编制程序时的一些技巧,举例作了说明.     

变截面梁弯曲切应力分析

从一般情况出发在继承经典的弯曲正应力公式前提下,应用静力边界条件与微体平衡方程导出变截面梁的弯曲切应力公式.结果与有限元解基本吻合,而传统材料力学方法与之相差甚远.     

变截面梁弯曲切应力分析

从一般情况出发在继承经典的弯曲正应力公式前提下,应用静力边界条件与微体平 衡方程导出变截面梁的弯曲切应力公式. 结果与有限元解基本吻合,而传统材料力学方 法与之相差甚远.     

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。     

用楔形体解答求解矩形变截面梁及其适用范围

根据弹性力学课程中楔形体受重力和液体压力, 以及楔形体在楔顶或楔面受力时的基本解答, 利用圣维南原理和叠加原理, 对工程中常见的矩形变截面悬臂梁(坝体)的应力解答进行求解. 同时, 应用有限单元法对所得结果进行校核, 进而讨论该方法的适用范围.     

压电复合材料层合梁非线性模糊滤波振动控制

在振动主动前馈控制中通常采用的自适应滤波-XLMS算法只限定于线性主动控制问题.由于在振动主动控制中各种非线性因素的存在,使得非线性控制方法成为必需.本文利用模糊逻辑系统能够逼近任何非线性系统的特性,提出了一种非线性模糊滤波振动控制方法,解决了由于传感通道的非线性使得参考信号与外扰间呈非线性函数关系的主动控制问题.针对具有压电作动器的复合材料层合梁进行了振动主动控制的数值仿真计算,结果表明该非线性模糊自适应控制方法优于线性滤波-XLMS方法.     

变截面多稳态梁结构减振吸能分析与优化设计

基于多稳态梁结构具有吸能且可重复使用的特点,本文研究包含变截面多稳态梁的单胞结构及其周期性排布的减振吸能效应及其优化设计方法。对多稳态结构进行考虑几何非线性的位移加载/卸载有限元仿真,根据其载荷-位移曲线分析多稳态结构的减振吸能原理,并研究串联与并联周期性排布形式对结构整体吸能特性的影响规律。研究基于多参数调控的变截面梁结构形状表征方法,根据多稳态结构储能特点建立变截面多稳态单胞结构的结构优化模型,通过求解优化问题获得总质量不变条件下最优变截面梁结构形状。进一步地通过对优化结果的有限元分析验证优化的有效性,并对结构进行瞬态冲击荷载下动响应分析,证明多稳态结构的冲击保护作用。     

主动控制压电旋转悬臂梁的参数振动稳定性分析

在工程实际中旋转机械由于制造和加工误差,装配的不均匀性等原因,往往会脉动运行,这将使得机械系统发生参数振动. 当脉动参数满足一定关系时,这种参数振动将会失稳,进而影响机械结构的正常运转. 本文针对这一问题,引入压电材料对 脉动旋转悬臂梁系统的振动进行控制,研究主动控制悬臂梁系统的参数振动优化设计问题,采用 Hamilton 变分原理与一阶 Galerkin 离散相结合的方法,建立了受速度反馈传感器主动控制的压电旋转悬臂梁的一阶近似线性控制方程. 运用多尺度方法,得到了压电旋转悬臂梁系统在发生1/2亚谐波参数共振时稳定性边界的控制方程,并利用直接分析方法验证了解析摄动解的正确性. 将摄动解中临界阻尼比和轮毂角速度脉动幅值的无量纲参数作为评价系统稳定性能的指标. 通过数值算例,分析了轮毂半径、轮毂角速度平均值和脉动幅值、梁长以及速度传感器的反馈增益系数对系统稳定性区域的影响. 研究结果表明,梁长、轮毂半径、脉动幅值会降低系统稳定性,反馈增益系数可以提高系统稳定性,而轮毂角速度平均值与系统稳定性之间有非单调的关系. 为进一步设计压电旋转机械结构提供了理论依据.      

压电结构的主动控制仿真与实验研究

结合有限元方法研究了直接负速度反馈和基于LQR(二次线性最优控制)的独立模态空间主动控制方法来控制结构的振动, 采用一种新的仿真方法：PATRAN与MATLAB联合仿真,对这两种方法进行主动控制数值仿真. 用MATLAB的xPC实时控制,进行了主动板的振动控制实验,验证了采用上述控制仿真方法的正确性. 各种结果表明用压电结构进行振动主动控制效果明显.     

VIBRATION SUPPRESSION OF A FLEXIBLE PIEZOELECTRIC BEAM USING BP NEURAL NETWORK CONTROLLER

This paper aims at modeling and developing vibration control methods for a flexible piezoelectric beam. A collocated sensor/actuator placement is used. Finite element analysis (FEA) method is adopted to derive the dynamics model of the system. A back propagation neural network (BPNN) based proportional-derivative (PD) algorithm is applied to suppress the vibration. Simulation and experiments are conducted using the FEA model and BPNN-PD control law. Experimental results show good agreement with the simulation results using finite element modeling and the neural network control algorithm.     

旋转运动柔性梁的时滞主动控制实验研究

对旋转运动柔性梁的时滞主动控制进行实验研究,验证时滞反馈控制的有效性. 实验中采用交流伺服电机带动柔性梁旋转运动,柔性梁上粘贴有压电作动器,用于控制梁的弹性振动. 实验研究考虑如下3种情况:(1)仅使用电机扭矩进行控制,电机扭矩存在时滞;(2)使用电机扭矩和压电作动器同时控制,仅压电作动器存在时滞;(3)使用电机扭矩和压电作动器同时控制,电机和压电作动器存在不同的时滞量. 重点通过实验验证时滞反馈控制的可行性和有效性.      

存在时滞的柔性梁的振动主动控制

本文对控制存在时滞的柔性梁的振动主动控制进行研究.主动控制策略采用独立模态空间控制,模态控制律采用离散变结构控制进行设计.给出了从实际测量中提取模态坐标和将模态控制力转换成实际控制力的方法,以及离散切换面和离散变结构模态控制律的确定方法.由于模态控制律直接通过时滞微分方程而得出,因此所给控制方法易于保证控制系统的稳定性.算例结果显示,文中所述控制方法能够有效地对梁的振动进行控制;若按无时滞时的控制设计对时滞系统进行控制,系统响应有可能出现发散.     

柔性梁受迫振动时滞变结构控制的试验研究

时滞反馈控制是一种利用时滞进行系统控制的策略,目前对该控制策略的研究多是在理论上进行探讨,少有试验研究报道. 以受简谐激励的柔性悬臂梁为对象,开展时滞反馈控制的试验研究,给出了一个多时滞控制律的设计方法. 首先给出悬臂梁系统含有时滞项的控制模态状态方程; 然后对方程进行离散化和一种特殊的状态变量增广,得到形式上不含有时滞项的标准差分方程; 最后使用离散变结构控制的方法设计控制律. 试验中采用压电片作为作动器和外界激励,应变片作为传感器,分别考虑单时滞和双时滞的情况,通过试验验证了时滞反馈控制的可行性和有效性.关键词:柔性悬臂梁;变结构控制;时滞;实验      

ACTIVE VIBRATION CONTROL OF FINITE L-SHAPED BEAM WITH TRAVELLING WAVE APPROACH

In this paper, the disturbance propagation and active vibration control of a finite L-shaped beam axe studied. The dynamic response of the structure is obtained by the travelling wave approach. The active vibration suppression of the finite L-shaped beam is performed based on the structural vibration power flow. In the numerical calculation, the influences of the near field effect of the error sensor and the small error of the control forces on the control results are all considered. The simulation results indicate that the structural vibration response in the medium and high frequency regions can be effectively computed by the travelling wave method. The effect of the active control by controlling the power flow is much better than that by controlling the acceleration in some cases. And the control results by the power flow method are slightly affected by the locations of the error sensor and the small error of the control forces.     

附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量, 本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明, 该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.      

具有分支电路的可控压电阻尼减振技术

对近10年来国内外关于具有分支电路的可控压电阻尼减振技术研究的进展进行了较为详细的评述和讨论.文中首先说明了具有分支电路的压电阻尼减振技术的基本原理和基本形式,然后较为全面的评述不同形式基本分支电路压电阻尼系统的基本特点和研究进展,在讨论了以基本分支电路压电阻尼系统为基础的各种具有可控特性的分支电路压电阻尼系统(包括半主动的和主动-被动杂交的分支电路压电阻尼系统)的研究与发展之后,说明了这种技术在实际工程中的应用,最后建议了今后应深入研究的问题.      

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,用遗传算法(GA)求解.以压电智能悬臂板为数值算例,采用比例反馈控制,研究了瞬时荷载作用下,最优位置和一般位置配置致动器/感应器时智能结构的控制效果.为了进一步验证本文方法的正确性,研究了简谐荷载作用下系统的控制效果.数值结果表明采用遗传算法搜索压电智能结构振动控制中压电致动器/感应器的最优位置是十分有效的并具有较高的计算效率.