光控作動器本構(gòu)建模及板殼結(jié)構(gòu)振動模態(tài)控制的研究.pdf

1、將智能材料作為傳感器及作動器,層合于空間板殼結(jié)構(gòu)表面或嵌入其內(nèi)部,實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的智能控制已經(jīng)成為航空、航天領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的作動器(如壓電作動器、記憶合金作動器及電致伸縮作動器等)相比,當(dāng)采用基于光電材料鑭改性鋯鈦酸鉛(PLZT)的光控作動器時,由于作動器與控制光源間無需線路連接,因此可以避免電磁干擾,并且符合航空、航天結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化發(fā)展的趨勢,具有重大的理論研究價值。本文將開展利用光控作動器的板殼結(jié)構(gòu)振動控制的研究,提出利用沿

2、厚度(0-3)方向極化的PLZT(簡稱PLZT(0-3))作動器及光控壓電混合驅(qū)動兩種方式實現(xiàn)板殼結(jié)構(gòu)的振動控制,針對光控作動器產(chǎn)生驅(qū)動應(yīng)變的本構(gòu)模型、光電層合板殼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)建模、面向不同應(yīng)用背景的分布式光控作動器的構(gòu)型設(shè)計及光控作動器的激勵策略等問題展開系統(tǒng)的研究,為此類智能結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　分別建立了PLZT(0-3)作動器及光控壓電混合驅(qū)動方式的本構(gòu)方程?；赑LZT在光-電-熱-力等多能場

3、耦合作用下的反常光生伏打效應(yīng)及光致伸縮機理,研究光照強度及PLZT(0-3)作動器的尺寸參數(shù)對其產(chǎn)生的飽和光致應(yīng)變及時間常數(shù)的影響,從而建立了PLZT(0-3)作動器在光照階段產(chǎn)生驅(qū)動應(yīng)變的數(shù)學(xué)模型;提出了利用PLZT在紫外光照射下產(chǎn)生的光電壓驅(qū)動壓電作動器的光控壓電混合驅(qū)動方式,利用等效電路模型,建立了光控壓電混合驅(qū)動下作動器產(chǎn)生應(yīng)變的本構(gòu)方程;通過實驗證明了所建立的數(shù)學(xué)模型能準(zhǔn)確描述在不同光強下,光控作動器產(chǎn)生的驅(qū)動應(yīng)變隨光照時間的

4、動態(tài)響應(yīng)。
　　基于Hamilton原理和多層薄殼理論,建立了可適用于不同結(jié)構(gòu)類型、不同幾何參數(shù)的光控層合板殼結(jié)構(gòu)的通用動力學(xué)模型;基于所建立的動力學(xué)模型,利用模態(tài)展開技術(shù)建立了光控層合板殼結(jié)構(gòu)的模態(tài)控制方程及分布式光控作動器在激勵信號的作用下,對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的模態(tài)控制力數(shù)學(xué)模型。為研究作動器布局及構(gòu)型設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。
　　基于作動器邊界條件的的變化,開展了能產(chǎn)生多自由度非均勻控制力/力矩的新型光致伸縮作動器構(gòu)型的研究?；谄?/p>

5、面位移變分法,建立了特定邊界條件下,作動器在激勵信號的作用下對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的非均勻控制力及力矩的分布函數(shù);以開口圓柱殼為例,利用模態(tài)控制因子,參數(shù)評價了新型作動器的尺寸、布局對其產(chǎn)生模態(tài)控制行為的影響;針對PLZT(0-3)光致伸縮作動器“單向驅(qū)動性”的特點,提出了對新型作動器各區(qū)域的速度反饋半周期激勵的控制策略;利用Newmark-β法對開口圓柱殼的模態(tài)控制方程進行數(shù)值仿真分析,仿真結(jié)果證明了本文所提出的控制策略的有效性,并且表明增大光照

6、強度可以提高作動器的響應(yīng)速度,從而改善新型作動器對結(jié)構(gòu)的模態(tài)控制效果。
　　研究表面成型式作動器構(gòu)型,以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的光控獨立模態(tài)控制。針對典型結(jié)構(gòu),推導(dǎo)了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)獨立模態(tài)控制的光控作動器表面電極形狀函數(shù);以懸臂梁結(jié)構(gòu)為例,分別研究了基于PLZT(0-3)作動器及光控壓電混合驅(qū)動,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的獨立模態(tài)控制。針對PLZT(0-3)作動器,提出了作動器各個區(qū)域雙面粘貼,兩個光源ON/OFF的激勵策略;針對光控壓電混合驅(qū)動,提出了多片PLZ

7、T與壓電作動器正/反接控制的激勵策略;結(jié)合速度反饋定光強控制的控制算法,分別對兩種光控方式下懸臂梁的獨立模態(tài)控制進行了數(shù)值仿真分析,仿真結(jié)果證明了針對光控板殼結(jié)構(gòu)獨立模態(tài)控制,作動器表面電極形狀函數(shù)設(shè)計及控制策略的正確性。
　　對光控壓電混合驅(qū)動的激勵策略及光控結(jié)構(gòu)獨立模態(tài)主動控制進行實驗研究。針對光控壓電混合驅(qū)動提出四種激勵策略,并對其可行性進行了實驗分析;搭建了實驗平臺,對模態(tài)傳感器的正交模態(tài)性進行了實驗驗證;通過對不同光照強