壓電智能結(jié)構(gòu)分析的新方法研究及其應(yīng)用.pdf

1、由于智能結(jié)構(gòu)具有自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等卓越功能，隨著研究的不斷深入和理論的成熟，現(xiàn)已從航空和軍界應(yīng)用，逐漸被拓展到土木工程、船舶、汽車等行業(yè)中，并且在航空、航天、潛艇、高速列車、汽車、橋梁、水壩、建筑等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測、損傷自愈合及振動、噪聲和形狀控制等方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。近年來智能材料結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用已經(jīng)引起世界各主要發(fā)達(dá)國家的極大重視，被列為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域和優(yōu)先培育的21世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。
　　 壓電材料具有頻響范圍寬

2、、響應(yīng)速度快、密實(shí)度大、精確度高、良好的線性行為等優(yōu)點(diǎn)，既可制成傳感器又可制成驅(qū)動器，通過正逆壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)智能控制。許多學(xué)者對壓電材料智能結(jié)構(gòu)開展了大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，并已取得了豐富的研究成果。
　　 目前，對壓電智能結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容主要包括：耦合理論；形狀控制；振動控制；噪聲控制；優(yōu)化分析；故障診斷和監(jiān)測；分析方法研究及試驗(yàn)研究等。本文基于廣西大學(xué)秦榮教授創(chuàng)立的樣條無網(wǎng)格方法和QR方法分別對壓電智能復(fù)合材料層合板、壓電框架結(jié)

3、構(gòu)建立新的分析模型，對壓電智能結(jié)構(gòu)靜變形控制、形狀最優(yōu)控制、壓電材料參數(shù)識別、振動主動控制展開研究。研究的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.基于高階剪切變形理論和Hamilton變分原理，采用樣條無網(wǎng)格方法，建立了壓電智能復(fù)合板靜變形分析的新模型，推導(dǎo)了樣條無網(wǎng)格法剛度矩陣；基于樣條無網(wǎng)格離散模型對壓電驅(qū)動器驅(qū)動電壓的靈敏度和對驅(qū)動器鋪設(shè)位置的靈敏度，建立了壓電智能板形狀最優(yōu)控制模型。通過設(shè)計不同的壓電驅(qū)動器對各種邊界條件、不同

4、基體材料的壓電層合板進(jìn)行靜變形控制和形狀最優(yōu)控制的算例分析，結(jié)果表明本文建立的新模型正確，能夠有效的控制結(jié)構(gòu)變形。樣條無網(wǎng)格法具有精度高、輸入簡單、運(yùn)行效率高、處理邊界條件簡便等優(yōu)點(diǎn)。
　　 2.對壓電智能層合板的變形控制進(jìn)行了解析法研究，提出了符合壓電材料正逆壓電效應(yīng)特性的壓電層表面的電學(xué)邊界條件。針對考慮一階剪切影響的四邊簡支壓電層合板，根據(jù)電學(xué)平衡方程及電學(xué)邊界條件推導(dǎo)得到了壓電層沿厚度方向電勢分布為雙曲函數(shù)的變化規(guī)律。算

5、例討論了壓電層合板在機(jī)械荷載和電荷載作用下的變形、電勢分布，并對結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了開環(huán)和閉環(huán)控制，結(jié)果表明推導(dǎo)的解析解與樣條無網(wǎng)格解能夠互相印證，吻合很好。由于單片壓電驅(qū)動器控制力不足，為了提高驅(qū)動效率，對書本式壓電驅(qū)動器驅(qū)動力的解析解進(jìn)行了公式推導(dǎo)，建立了壓電片層數(shù)n與壓電驅(qū)動器的驅(qū)動力Mpx非線性的量化關(guān)系。算例分析表明，書本式壓電驅(qū)動器的控制效果較好，能夠應(yīng)用于壓電層合板及鋼框架結(jié)構(gòu)的變形控制中。
　　 3.建立了壓電材料參數(shù)

6、識別分析的新模型。將材料參數(shù)識別的問題轉(zhuǎn)化為極小化目標(biāo)函數(shù)的問題，目標(biāo)函數(shù)定義為測量位移與樣條無網(wǎng)格法計算的相應(yīng)位移之差的平方和；推導(dǎo)了基于樣條無網(wǎng)格法求解位移值相對于材料各參數(shù)導(dǎo)數(shù)的靈敏度計算公式，采用基于信賴域技巧的Levenberg-Marquardt方法極小化目標(biāo)函數(shù)；在參數(shù)識別過程中，以樣條無網(wǎng)格方法計算的理論位移為真值，以給定方差下的隨機(jī)正態(tài)分布數(shù)據(jù)模擬帶誤差的測量位移。研究了壓電復(fù)合材料板分別在機(jī)械荷載及電荷載作用下，基體

7、材料和壓電材料的參數(shù)識別問題，算例表明本文提出的材料參數(shù)識別方法具有較高的精度和較好的穩(wěn)定性，是行之有效的。
　　 4.基于高階剪切變形理論，推導(dǎo)了一種新的可以考慮剪切影響、壓電效應(yīng)、初始幾何缺陷及P-△效應(yīng)的壓電智能梁柱單元。當(dāng)不考慮剪切影響和壓電效應(yīng)時，新單元的剛度矩陣可以退化為線彈性情況下的單剛形式；通過引入初始幾何缺陷影響系數(shù)的方法，可將初始幾何缺陷與P-△效應(yīng)聯(lián)合分析，建立了相應(yīng)的單元幾何剛度矩陣。算例結(jié)果表明新單元模

8、型正確，為壓電智能框架結(jié)構(gòu)建模奠定了理論研究基礎(chǔ)。
　　 5.基于新的壓電智能梁柱單元剛度矩陣，采用樣條QR方法建立了壓電智能框架結(jié)構(gòu)的動力分析新模型；利用模態(tài)控制理論，運(yùn)用LQR最優(yōu)控制方法，建立了壓電智能框架結(jié)構(gòu)振動主動控制計算模型：將壓電堆式驅(qū)動器布置在框架結(jié)構(gòu)柱上，對壓電鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動主動控制仿真分析，討論了結(jié)構(gòu)的P-△效應(yīng)和初始幾何缺陷對結(jié)構(gòu)自振頻率及控制力的影響。算例結(jié)果表明，本文建立的分析模型能夠有效的抑制結(jié)

9、構(gòu)的振動；考慮P-△效應(yīng)和初始幾何缺陷后，結(jié)構(gòu)的自振頻率減小，控制電壓明顯增加，說明這兩個因素對結(jié)構(gòu)振動主動控制的影響是不可忽略的，分析初始幾何缺陷和P-△效應(yīng)對結(jié)構(gòu)振動控制的影響很有意義。
　　 本文進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬計算，將基于新方法的分析結(jié)果與解析解和有限元解進(jìn)行了比對，結(jié)果表明建立的新模型是正確和有效的，具有輸入簡單、計算精度高、穩(wěn)定性好、物理概念清晰、處理邊界條件方便、計算量少，運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文采用新方法對壓電