基于压电纤维复合材料的柔性结构振动半主动控制研究

发布时间：2017-10-29 15:15

  本文关键词：基于压电纤维复合材料的柔性结构振动半主动控制研究

  更多相关文章： 柔性结构 压电纤维复合材料 半主动 同步开关阻尼 振动控制

【摘要】：随着大型柔性结构在航天器中的广泛应用,其振动问题也得到了越来越多的关注与研究。压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC)具有驱动性能强、重量轻、韧性大等优点,适合作为驱动器对航天结构进行振动控制。基于同步开关阻尼技术的半主动振动控制系统简单,振动控制效果稳定,易于集成化和轻量化,满足航天领域对高可靠性和轻量化的要求。本文基于压电纤维复合材料,提出利用同步开关阻尼半主动振动控制方法,对柔性结构进行振动控制研究。首先,根据MFC通常的-500V~+1500V的非对称高电压工作范围,设计了电压非对称翻转的同步开关阻尼技术,并对其工作过程分阶段进行了详细分析,给出了控制过程中压电元件电压的理论计算式。利用MATLAB/Simulink对控制系统进行建模仿真,验证了非对称同步开关阻尼技术的可行性,同时通过仿真分析了电压源电压和非对称旁路电容值对切换电压的影响。其次,设计并制作高压非对称半主动振动控制实验仪,对控制过程中MFC开路状态下的漏电问题进行了实验与分析;比较了开关切换频率、并联电容值大小对切换电压的影响;对非对称同步开关阻尼技术进行实验验证,并与仿真结果进行了对比分析。最后,针对柔性悬臂梁结构和航天用大负载高刚度结构进行了振动抑制实验,实验结果表明,所制作的高压非对称半主动振动控制实验仪,不仅能够在低压下对柔性结构进行振动控制,还能够实现在高电压下对结构进行振动抑制。与传统同步开关阻尼技术相比,能提高诸如MFC等工作电压范围非对称的压电元件的使用效率。
【关键词】：柔性结构 压电纤维复合材料 半主动 同步开关阻尼 振动控制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V414.8;TB535
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注释表13-14
• 缩略词14-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 引言15-16
• 1.2 柔性结构振动抑制国内外研究进展与现状16-20
• 1.2.1 国外航天柔性结构振动抑制进展16-19
• 1.2.2 国内航天柔性结构振动抑制进展19-20
• 1.3 同步开关阻尼技术研究进展20-21
• 1.4 本文的主要研究内容21-23
• 第二章 压电纤维复合材料及同步开关阻尼技术工作原理23-34
• 2.1 压电材料的工作原理23-26
• 2.1.1 压电效应23-24
• 2.1.2 压电方程24-26
• 2.2 压电纤维复合材料26-28
• 2.2.1 MFC的组成26-27
• 2.2.2 MFC的工作原理及压电方程27-28
• 2.3 同步开关阻尼技术原理28-33
• 2.3.1 机电耦合模型29-30
• 2.3.2 SSD控制方法30-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 非对称同步开关阻尼技术34-49
• 3.1 非对称同步开关阻尼技术原理34-35
• 3.2 非对称同步开关阻尼技术工作过程分析35-41
• 3.2.1 阶段一：结构位移从最小值变化至最大值过程35-36
• 3.2.2 阶段二：结构位移最大值处电压翻转，旁路电容不工作36-37
• 3.2.3 阶段三：结构位移最大值处电压翻转，旁路电容工作37-38
• 3.2.4 阶段四：结构位移从最大值变化至最小值过程38-39
• 3.2.5 阶段五：结构位移最小值处电压翻转，旁路电容工作39-40
• 3.2.6 阶段六：结构位移最小值处电压翻转，旁路电容不工作40-41
• 3.3 非对称同步开关阻尼技术电压理论计算41-43
• 3.4 非对称同步开关阻尼技术仿真分析43-47
• 3.4.1 电压源大小对切换电压影响仿真分析44-46
• 3.4.2 旁路电容值对电压非对称比例系数影响仿真分析46-47
• 3.5 本章小结47-49
• 第四章 高压非对称半主动振动控制系统实验研究49-62
• 4.1 高压非对称半主动控制系统49-52
• 4.1.1 电压源电路49-50
• 4.1.2 非对称开关控制电路50
• 4.1.3 SSD开关切换电路50-51
• 4.1.4 高压非对称半主动振动控制实验仪51-52
• 4.2 开路状态下MFC漏电实验与理论分析52-58
• 4.2.1 实验系统介绍52-53
• 4.2.2 SSD开关切换频率对电压影响实验53-54
• 4.2.3 MFC两端并联电容值对切换电压影响实验54-55
• 4.2.4 开路状态下MFC漏电理论分析55-58
• 4.3 非对称同步开关阻尼技术实验分析58-61
• 4.3.1 电压源大小对切换电压影响实验分析58-59
• 4.3.2 旁路电容值对电压非对称比例系数影响实验分析59-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 柔性结构振动半主动控制实验研究62-77
• 5.1 柔性智能悬臂梁结构状态空间方程建立62-64
• 5.1.1 柔性智能悬臂梁的模态运动方程62-63
• 5.1.2 柔性智能悬臂梁的状态空间方程63-64
• 5.2 柔性梁结构振动抑制实验64-72
• 5.2.1 实验系统介绍64-66
• 5.2.2 柔性梁模态参数测量66-68
• 5.2.3 一阶单频激励下振动控制实验68-69
• 5.2.4 二阶单频激励下对称与非对称控制对比实验69-71
• 5.2.5 双频激励下振动控制实验71-72
• 5.3 大负载高刚度结构振动抑制实验72-76
• 5.3.1 实验系统介绍72-73
• 5.3.2 端部自由衰减振动抑制实验73-75
• 5.3.3 稳态激励下振动抑制实验75-76
• 5.4 本章小结76-77
• 第六章 全文总结与展望77-79
• 6.1 全文工作总结77-78
• 6.2 研究工作展望78-79
• 参考文献79-83
• 致谢83-85
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文85

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