空间柔性结构中压电阻尼系统的优化设计及其对振动的被动控制研究

发布时间：2017-06-19 15:13

  本文关键词：空间柔性结构中压电阻尼系统的优化设计及其对振动的被动控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大型空间柔性结构在轨服役时,由于在太空环境下缺少空气阻尼,在外界激励下会产生长时间的大幅振动,这一现象将影响航天器的正常工作和结构安全。通过压电阻尼系统来对空间柔性结构的振动进行控制是一个较为可行的方法。压电材料具有压电效应,同时具有体积小、质量轻、响应速度快等优点,在航天器的智能控制和信号检测等方面具有广泛的应用前景。本文主要对利用压电阻尼系统进行空间柔性结构的振动抑制开展实验研究,将问题简化为对单根绳索振动的被动控制这一基础问题来进行探索。通过采用设计和优化外置压电阻尼系统来对单根绳索的振动行为进行被动控制,达到吸能抑振的效果。本文主要内容如下:以大型空间柔性结构的结构和运动特征为参考,结合所研究的科学问题建立了“悬臂梁-柔索”刚柔耦合系统用以研究压电阻尼系统对刚柔耦合系统的减振效果。在设计压电阻尼系统的过程中考虑了压电材料的力电耦合性能以及不同边界条件下的压电方程。通过实验验证了压电材料的正、逆压电效应在振动控制中的初步应用,实验表明:当给悬臂梁末端施加一个自由振动激励时,粘贴在悬臂梁上的压电片的两端会产生几十毫伏到2伏左右的电压。如果把电场加到压电材料上,则材料在电场作用下会驱动悬臂梁使其产生长时间的受迫振动。针对典型的压电悬臂梁阻尼系统进行了理论分析,利用传递函数法对压电分流阻尼电路的参数进行了优化,得到了RL串联分流电路在传递函数优化方法下的最优电阻值和最优电感值。并通过实验对悬臂梁-柔索耦合系统进行了振动被动控制研究,验证了理论分析的正确性和RL串联压电分流阻尼系统在结构振动控制方面的可行性和有效性。为了进一步提高减振效率,我们对压电阻尼系统的合成电感进行了优化并对耦合系统的最优参数进行了重新选取。在计算最优电阻值和最优电感值时,选取了耦合系统振动过程中的开环和闭环固有频率。实验表明:优化后的压电阻尼系统的减振效率高于优化前的减振效率。最后,采用负电容压电阻尼系统对耦合系统的振动进行了被动控制研究,并通过理论计算和数值分析对相关参数进行了优化。实验表明:受迫振动下负电容法的减振效率整体上要高于RL串联压电分流阻尼电路法。
【关键词】：空间柔性结构 压电阻尼系统 优化设计 被动控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V414;TB535
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 课题研究背景12-14
• 1.2 空间柔性结构的振动控制的研究14-15
• 1.3 压电材料及其振动控制研究进展15-18
• 1.3.1 压电材料15-16
• 1.3.2 利用压电材料进行振动控制的研究16-18
• 1.4 本文的主要工作18-19
• 第2章 压电阻尼系统对悬臂梁振动的被动控制研究19-36
• 2.1 引言19
• 2.2 压电阻尼系统的阻抗分析19-23
• 2.3 RL串联压电阻尼系统的参数优化23-27
• 2.4 RL串联压电分流阻尼电路的工作原理27-28
• 2.5 RL串联压电阻尼系统对悬臂梁振动的被动控制实验研究28-35
• 2.5.1 受迫振动下悬臂梁的振动被动控制29-33
• 2.5.2 自由振动下悬臂梁的振动被动控制33-35
• 2.6 本章总结35-36
• 第3章 RL串联法对刚柔耦合结构振动的被动控制研究36-57
• 3.1 引言36
• 3.2 刚柔耦合结构振动被动控制的初步研究36-45
• 3.2.1 对悬臂梁的优化设计37-39
• 3.2.2 受迫振动下对梁和柔索的振动被动控制39-42
• 3.2.3 自由振动下对梁和柔索的振动被动控制42-45
• 3.3 RL串联压电阻尼系统合成电感的优化45-49
• 3.3.1 受迫振动下对自由梁的振动被动控制45-47
• 3.3.2 自由振动下对自由梁的振动被动控制47-49
• 3.4 刚柔耦合结构振动被动控制效率的提高49-55
• 3.4.1 实验验证预紧力对刚柔耦合结构中梁的固有频率的影响49-50
• 3.4.2 刚柔耦合系统固有频率的计算50
• 3.4.3 受迫振动下对梁和柔索的振动被动控制50-52
• 3.4.4 自由振动下对梁和柔索的振动被动控制52-55
• 3.5 刚柔耦合结构振动被动控制的初步研究和最新研究结果对比55
• 3.6 RL串联压电分流阻尼系统的阻尼效率分析55-56
• 3.7 本章总结56-57
• 第4章 负电容法对刚柔耦合结构振动的被动控制研究57-73
• 4.1 引言57
• 4.2 负电容压电分流阻尼系统57-64
• 4.2.1 负电容压电分流系统的阻尼特性57-60
• 4.2.2 负电容控制系统的振动阻尼方程60-62
• 4.2.3 负电容压电分流系统阻尼的数值分析62-64
• 4.3 负电容阻尼系统振动被动控制的实验研究64-69
• 4.3.1 负电容实验构造电路64-65
• 4.3.2 受迫振动下对梁和柔索的振动被动控制65-67
• 4.3.3 自由振动下对梁和柔索的振动被动控制67-69
• 4.4 负电容压电分流阻尼系统的阻尼效率分析69-70
• 4.5 负电容法和RL串联压电阻尼系统的减振效果比较70-71
• 4.5.1 受迫振动下对梁和柔索的减振效果比较70-71
• 4.5.2 自由振动下对梁和柔索的减振效果比较71
• 4.6 本章总结71-73
• 结论与展望73-75
• 参考文献75-81
• 致谢81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 林志;刘正兴;;弹性基础梁振动的负电容控制[J];上海交通大学学报;2007年06期

2 林志,白冰,刘正兴;带有负电容电路的半主动控制系统[J];力学季刊;2005年02期

3 孙浩;杨智春;于哲峰;;基于极点配置参数优化的压电分流阻尼抑振研究[J];西北工业大学学报;2006年01期

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本文编号：462912