宏纤维复合结构的力学模型及对板壳结构振动的主动控制

  板壳类结构如今在土木工程、船舶工程、航空航天等工程领域中广泛应用。大跨度建筑物楼盖,飞机的舱壁、机翼,船舶导流管,卫星的太阳帆板都可以归为板壳结构。这些结构越来越追求高承载力和低质量,因此都向着轻质化,大型化和柔性化发展,所以此类结构振动问题日益突出,若不对其振动进行控制,则会带来结构的破坏,影响使用寿命。而上述各类结构的振动归根到底都是板壳振动,为了解决这类问题,非常有必要对板壳这种基础结构的振动进行控制研究。宏纤维复合材料（MFC）作为一种新型的智能材料,由压电陶瓷纤维和环氧树脂基复合而成。其质轻,韧性好,驱动力大,可粘贴于曲面结构,是目前现有的压电材料当中综合性能最好的一种智能材料,非常适合用于板壳类结构的振动控制。但目前国内外对宏纤维复合材料的研究还很少,没有一套成熟的理论来建立宏纤维复合结构的振动控制模型。因此本文展开了对宏纤维复合结构振动控制模型的研究,并在此基础上提出利用宏纤维复合材料对板壳类结构的振动进行主动控制。本文使用宏纤维复合材料作为驱动器,分别对一平板和弧壳的振动施加主动控制,进行了理论推导、数值仿真,并进行了实验验证。本文主要做了如下工作:（1）推导出了宏纤维复合结构的力学模型公式,提出了一种将宏纤维复合材料作为荷载边界条件的等效有限元建模法,并通过实验验证了其正确性。（2）运用Guyan缩聚法和范数降阶法对平板和弧壳的有限元模型进行降阶,并验证了其有效性。（3）分别运用PID控制算法和模糊PID控制算法对平板和弧壳振动主动控制进行仿真分析。（4）完成了平板和弧壳结构的振动主动控制实验,验证了宏纤维复合材料对板壳类结构振动控制的有效性和可行性。

 

武汉理工大学湖北省211工程院校教育部直属院校

 

【学位级别】：硕士

 

页数：99

 

文章目录

摘要

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第1章 绪论

    1.1 课题研究的背景、目的和意义

    1.2 压电智能材料的发展概况及宏纤维复合材料的介绍

        1.2.1 压电智能材料发展概况

        1.2.2 宏纤维复合材料介绍

    1.3 基于压电结构力学模型和控制算法国内外研究现状

        1.3.1 压电结构力学模型研究现状

            1.3.1.1 解析法

            1.3.1.2 有限元法

        1.3.2 基于压电材料的控制算法研究现状

    1.4 研究内容

第2章 宏纤维复合结构等效建模法与力学模型研究

    2.1 引言

    2.2 基于ANSYS有限元软件的等效建模方法

        2.2.1 等效建模方法

        2.2.2 ANSYS有限元软件中结构的有限元模型

    2.3 宏纤维复合结构的力学模型

        2.3.1 P1型MFC压电方程

        2.3.2 P1型MFC结构的平面应力问题

        2.3.3 一维MFC压电复合结构的力学模型

        2.3.4 二维MFC压电复合结构的力学模型

    2.4 数值算例

        2.4.1 MFC作动力数值计算

        2.4.2 MFC梁仿真计算

    2.5 本章小结

第3章 板壳基本结构有限元建模及模型降阶

    3.1 引言

    3.2 板壳基本结构ANSYS有限元仿真分析

        3.2.1 弧壳建模

        3.2.2 平板结构建模

    3.3 利用Guyan减缩法缩减自由度

    3.4 利用H2范数降阶

        3.4.1 模态坐标系转换

        3.4.2 模态坐标系下的状态空间表达式转换

        3.4.3 H2范数降阶

        3.4.4 降阶前后的对比分析

    3.5 本章小结

第4章 MFC板壳复合结构主动控制研究

    4.1 引言

    4.2 MFC板壳复合结构主动控制模型

        4.2.1 平板主动控制模型

        4.2.2 弧壳主动控制模型

    4.3 板壳复合结构振动控制算法与仿真

        4.3.1 PID控制算法

            4.3.1.1 PID控制状态方程描述

            4.3.1.2 数值仿真与结果分析

        4.3.2 模糊PID控制算法

            4.3.2.1 模糊PID控制器设计

            4.3.2.2 数值仿真与结果分析

    4.4 本章小结

第5章 MFC板壳复合结构振动控制实验研究

    5.1 概述

    5.2 控制系统

    5.3 振动控制算法设计

        5.3.1 PID控制算法设计

        5.3.2 模糊PID控制算法设计

    5.4 试验结果与仿真对比分析

        5.4.1 平板试验结果

        5.4.2 弧形壳试验结果

        5.4.3 试验结果与仿真对比分析

    5.5 本章小结

第6章 总结与展望

    6.1 主要结论

    6.2 展望

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表和完成的论文

作者攻读硕士学位期间参与的科研项目

致谢

 

参考文献

 

期刊论文

 

[1]浅谈压电材料研究现状及发展趋势[J]. 段利利,邢健.  山东工业技术. 2015(22)

[2]发射主动段空间相机隔振技术研究[J]. 段鹏飞,雷文平.  航天器工程. 2014(04)

[3]智能材料研究进展[J]. 张新民.  玻璃钢/复合材料. 2013(Z2)

[4]柔性板时滞鲁棒控制的实验研究[J]. 赵童,陈龙祥,蔡国平.  振动工程学报. 2012(03)

[5]基于趋近律离散滑模控制的柔性梁振动抑制[J]. 占金青,胡俊峰,张宪民.  振动.测试与诊断. 2012(02)

[6]柔性智能结构的振动主动控制仿真和实验研究[J]. 黄良,吴大方,潘兵,牟朦,王岳武.  测控技术. 2012(03)

[7]基于P ID控制方法的模糊变增益振动主动控制试验研究[J]. 邵敏强,陈卫东,徐庆华.  南京航空航天大学学报. 2012(01)

[8]压电智能板振动主动控制有限元模拟[J]. 钱锋,王建国,曲磊.  合肥工业大学学报(自然科学版). 2011(02)

[9]基于LaRC-MFC致动器的振动主动控制[J]. 盛贤君,王爱武,杨睿.  压电与声光. 2010(04)

[10]压电锥壳结构振动主动控制研究[J]. 王威远,魏英杰,王聪,邹振祝.  工程力学. 2008(10)

 

博士论文

 

[1]卫星适配器结构振动主被动控制方法研究[D]. 王威远.哈尔滨工业大学 2008

 

硕士论文

 

[1]新型压电摩擦阻尼器的有限元分析及试验研究[D]. 张仁猛.西安建筑科技大学 2014

[2]基于压电作动器MFC的柔性梁振动主动控制[D]. 范丽峰.大连理工大学 2014

[3]基于压电材料的悬臂梁振动主动控制研究[D]. 钟声.大连理工大学 2014

[4]基于压电智能复合材料的振动主动控制[D]. 高乐.哈尔滨工业大学 2012

[5]压电智能悬臂梁的主动控制方法研究[D]. 任昊轶.大连理工大学 2012

[6]压电智能结构的有限元仿真与实验研究[D]. 刘小顺.大连理工大学 2010

[7]压电纤维复合材料在船舰基本结构振动主动控制上的应用[D]. 易果.哈尔滨工业大学 2010

[8]智能材料与工程结构的动力分析[D]. 王子安.合肥工业大学 2010

[9]基于LaRC-MFC致动器的振动主动控制研究[D]. 王爱武.大连理工大学 2009

[10]智能结构振动主动控制技术研究[D]. 刘宇清.南京航空航天大学 2009