含集中参数压电智能梁振动特性及其主动控制

发布时间：2017-09-28 23:27

  本文关键词：含集中参数压电智能梁振动特性及其主动控制

  更多相关文章： 集中参数 等直弹性梁 模态 压电结构 主动控制

【摘要】：为了研究船舶与海洋结构的振动响应及其减振降噪问题,将舰船上桅杆、螺旋桨尾轴及海洋风力发电机等具有相似特性的典型结构简化成具有集中参数(集中质量和集中刚度)的等直弹性梁这一力学模型。针对这一模型,首先研究了其自由振动特性,为实际结构的避振设计提供一些有益参考；其次,为了进一步研究结构受到外界激励时振动响应的控制问题,通过在梁的上、下表面粘贴压电材料形成作动器和传感器,得到了含有集中质量和集中刚度的压电智能梁模型,进而对其展开振动主动控制研究。 基于Laplace变换法,针对典型边界条件,推导了含有任意集中质量与集中刚度(弹性支撑)的弹性欧拉梁弯曲振动的固有频率方程及振型函数的解析表达式,重点结合含有集中质量与集中刚度的悬臂梁结构,通过解析计算和实验验证系统地讨论了集中质量和集中刚度的大小以及它们在梁上的位置对悬臂梁固有特性的影响。 将压电作动器的作用力转化为一个集中力矩,推导了含有集中质量与集中刚度的压电智能梁的压电控制方程和传感方程的解析表达式；基于经典Bernoulli-Euler梁理论和Hamilton原理,考虑压电材料的机电耦合效应,推导了二结点压电层合梁有限单元模型,得到了结构的压电控制方程和传感方程的有限元形式。分别采用LQR、LQG和独立模态空间控制算法设计控制器,对含有集中参数的压电智能梁的振动响应进行了主动控制数值模拟；对比分析了LQR和LQG控制算法的适用性和有效性；探讨了集中质量和集中刚度的位置对悬臂梁整体振动响应量级的影响和对反馈控制效率的影响；为船体上相应结构的振动控制提供了理论基础。
【关键词】：集中参数 等直弹性梁 模态 压电结构 主动控制
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.44
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 选题背景和依据8-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 含集中质量与刚度梁结构振动特性研究现状11-12
• 1.2.2 压电智能结构振动主动控制研究现状12-16
• 1.3 本文主要研究内容16-18
• 2 含集中质量与刚度的等直梁自由振动特性18-33
• 2.1 振型函数及频率方程推导18-23
• 2.1.1 采用δ函数描述集中质量与刚度的梁固有振型函数推导18-20
• 2.1.2 集中质量和弹簧在梁中位置时梁的频率方程20-21
• 2.1.3 集中质量和弹簧在任意位置时梁的频率方程21-23
• 2.2 自然环境激励模态参数识别23-25
• 2.2.1 自然激励技术23-24
• 2.2.2 特征系统实现算法24-25
• 2.3 数值算例及模态实验25-32
• 2.3.1 集中质量和集中刚度大小对固有频率的影响25-28
• 2.3.2 集中质量和集中刚度位置对固有频率的影响28-32
• 2.4 本章小结32-33
• 3 含集中参数的压电智能梁振动控制方程推导33-49
• 3.1 压电材料简介33-35
• 3.1.1 压电效应33-34
• 3.1.2 压电本构方程34-35
• 3.2 解析法推导控制方程35-38
• 3.2.1 压电传感方程36
• 3.2.2 压电驱动方程36
• 3.2.3 模型的简化处理36-38
• 3.3 压电有限元法38-47
• 3.3.1 压电层合梁单元模型推导39-45
• 3.3.2 压电层合梁有限元方程算例验证45-47
• 3.4 本章小结47-49
• 4 振动主动控制算法49-60
• 4.1 控制方程的状态空间描述49-50
• 4.2 主动控制的基本思想50
• 4.3 线性二次型最优控制50-52
• 4.4 线性二次型Gauss控制52-55
• 4.4.1 状态观测器52-53
• 4.4.2 带观测器的状态反馈系统53-54
• 4.4.3 线性二次型Gauss控制算法54-55
• 4.5 二次型模态空间控制55-58
• 4.5.1 模态空间控制方程56-57
• 4.5.2 耦合模态控制57-58
• 4.5.3 独立模态控制58
• 4.6 本章小结58-60
• 5 含集中参数的压电智能梁振动主动控制数值模拟60-82
• 5.1 含有集中参数压电悬臂梁振动LQR控制60-64
• 5.2 含有集中参数压电悬臂梁振动LQG控制64-68
• 5.2.1 脉冲激励响应控制64-65
• 5.2.2 简谐激励响应控制65-66
• 5.2.3 随机激励响应控制66-68
• 5.3 含有集中参数压电悬臂梁振动模态控制68-72
• 5.4 集中参数位置对响应大小和控制效率的影响72-80
• 5.5 本章小结80-82
• 结论82-85
• 参考文献85-90
• 附录A 频率方程具体表达式90-92
• 附录B 有限元计算程序流程图92-95
• 附录C 主动控制程序流程图95-97
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况97-98
• 致谢98-99

【参考文献】

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本文编号：938712