基于能量准则的板振动控制的LQR法

针对压电层合结构振动的主动控制问题，为了优化控制效果，本文基于现代控制理论提出了选用结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR法。首先，按能量准则推导了控制目标函数中权系数矩阵(Q矩阵和R矩阵)的理论计算公式，为权系数矩阵的选取提供了一定的理论依据。然后，运用该算法，分析了压电层合板受到初始位移激励和冲击载荷作用下的控制过程，用Matlab进行系统仿真，得到了板中心点的位移和控制电压大小随时间变化的曲线。数值模拟的结果表明，该方法能达到更有效控制结构振动和减小控制能量消耗的目的，与一般的LQR控制方法相比，能满足系统多方面的设计要求且控制效果更优，从而验证了该LQR方法运用到结构振动主动控制中的可行性。     

Periodic contact between piezoelectric materials and a rigid body with a wavy surface

An exact analysis is conducted for periodic, two-dimensional (2D) contact of piezoelectric materials in contact with a rigid body with a wavy surface pressed by uniform stresses at infinity. For three cases of eigenvalue distribution, three harmonic functions automatically satisfying the periodicity conditions are carefully constructed to facilitate the derivation of the solution of the considered problem. The stresses and electric displacements are obtained as infinite series. It is found that for the full contact case, the disturbance stress and electric displacement fields remain only the first harmonic which has the slowest decay in the y-direction. The convergence behaviours of the infinite series are checked, which shows that the external loading p and different positions have a great effect on the convergence behaviours of the infinite series and 400 terms are enough to get accurate solution at each position. Numerical results are presented to justify the validity of the present derivation and show the effect of the external loading on the contact behaviours.     

旋转功能梯度智能结构的刚-柔耦合动力学分析

基于一次耦合模型理论建立了中心刚体-压电层-功能梯度材料智能梁系统的刚柔耦合动力学模型．研究了开环状态下将压电材料作为传感器的压电效应和质量刚度效应对系统动力学特性的影响．通过仿真算例与另两种不同建模理论（传统零次近似耦合模型、一次近似耦合模型）作了对比．随着中心刚体外驱动力矩的增大,零次近似耦合模型和一次近似耦合模型计算结果逐渐发散,而本文的一次耦合模型的计算结果始终保持收敛,较其他近似耦合模型具有一定优势．对三种不同的结构的计算结果表明,压电材料的压电效应对系统的动力学特性影响显著,压电材料的质量刚度效应也会影响智能梁的动力学行为,前者比后者的影响大得多．此外,功能梯度材料功能梯度指数对系统动力学特性的影响也较大．     

氢气/丙烷/空气预混气体爆轰性能的实验研究

通过采用压力传感器和烟灰板两种测试设备,开展了常温常压下氢气/丙烷和空气混合气体爆轰性能的实验研究。实验过程中观察到自持爆轰波,爆轰速度比值在0.99~1之间,爆轰压力比值在0.8~1.2之间。爆轰胞格尺寸在10~50 mm范围内,建立了爆轰胞格尺寸和化学诱导长度的关系式。随着丙烷不断添加,爆轰速度减小,而爆轰压力和胞格尺寸增加。这种变化趋势起初较快,而后变缓。因为起初氢气摩尔分数较大,混合气体趋向于氢气/空气的爆轰性能;而后因丙烷摩尔质量较大,丙烷逐渐起主要作用,混合气体表现出丙烷/空气的爆轰性能。     

新型厚薄通用的压电层合板三角形CDST-S6E单元

基于压电复合材料层合板一阶剪切变形理论及叠层理论,构造了一种新型三角形三节点压电层合板单元,简记为CDST-S6E单元.该单元采用压电耦合的运动方程求解位移场及电势场,层合板主体结构用一阶剪切变形理论模拟,其剪应变场及单元转角场由结点包含有两个剪切自由度的DST-S6单元理论确定,电势作为附加自由度,应用叠层理论对压电层合板的电势场沿厚度方向进行线性插值.该CDST-S6E单元不需要借助减缩积分、假设应力或应变等辅助数学手段,也不会产生对稳定性带来影响的附加零能模式,可较好避免厚薄板单元的剪切闭锬问题且具有简洁的表达形式.数值算例表明,CDST-S6E单元具有较高的精度,可以较为精确地预测压电层合板的变形及电势场,是一种厚薄通用的优质压电层合板单元.     

Piezoelectric energy harvesting from morphing wing motions for micro air vehicles

Wing flapping and morphing can be very beneficial to managing the weight of micro air vehicles through coupling the aerodynamic forces with stability and control. In this letter, harvesting energy from the wing morphing is studied to power cameras, sensors, or communication devices of micro air vehicles and to aid in the management of their power. The aerodynamic loads on flapping wings are simulated using a three-dimensional unsteady vortex lattice method. Active wing shape morphing is considered to enhance the performance of the flapping motion. A gradient-based optimization algorithm is used to pinpoint the optimal kinematics maximizing the propellent efficiency. To benefit from the wing deformation, we place piezoelectric layers near the wing roots. Gauss law is used to estimate the electrical harvested power. We demonstrate that enough power can be generated to operate a camera. Numerical analysis shows the feasibility of exploiting wing morphing to harvest energy and improving the design and performance of micro air vehicles.     

电磁弹性复合材料双圆柱夹杂问题

研究了双圆柱压电夹杂嵌于无限大压磁基体中的力学问题，获得了基体受到无究远处电，磁，力载荷作用下的解析解。利用复变函数呆角变换和解析延拓，以及圆环域内的洛朗级数展开和Cauchy积分公式等得到了基体和两个夹杂中的复位势。由所获得的复位势继而得到了应力，电位移和磁通密度等物理量的解析表达式。并给出了算例分析，以此来表明夹杂对系统电磁弹性耦合行为的影响，以及验证所得解的正确性和实用性。     

受谐激励的带压电层充液圆柱容器稳态解

基于线性压电理论和可压缩无粘流场运动方程,推导出无限长带压电圆柱体流固耦合稳态解.由于流固耦合与力电耦合的复杂性,文中只考虑轴对称问题,研究了流固耦合智能结构在不同电压作用下位移、应力、流体压力的分布情况,为振动噪声控制奠定基础.     

三相压电复合本构模型中的弧形界面裂纹

深入研究了三相同心圆柱压电复合本构模型中的弧形绝缘界面裂纹问题。采用复势方法获得了该问题的级数形式的解答,并给出了应力、应变、电位移和电场强度等物理量在全场及界面上的分布,同时推导了裂尖处广义强度因子及裂面张开位移和裂面上电势差的表达式。具体计算表明该级数解答收敛迅速,同时显示出第三相混杂区的影响是不能忽略的。由于裂尖处应力奇异性为－1／2,则这种解答不会出现平面应变状态下界面裂纹裂尖处的振荡奇异性,从而不会产生违反物理实际的裂面相互嵌入现象,则该弹性解答也是建立了坚实的物理基础之上。     

压电板壳自由振动的三维精确分析

本文简要评述了压电材料板壳结构的研究现状,着重介绍了近年来我们在压电板壳三维分析方面所做的工作：（1）四边简支横观各向同性压电矩形板的状态空间分析方法：（2）横观各向同性压电圆板和环板的状态空间分析方法;（3）横观各向同性压电圆柱壳和球面各向同性压电球壳耦合振动的精确分析。这些工作都直接从压电弹性力学三维基本方程出发,不引进任何变形假设,因此可作为二维简化理论和数值计算方法的校核标准。文末对今后压电材料板壳的研究方向也作了展望。