轉(zhuǎn)動(dòng)ACLD懸臂板的動(dòng)力學(xué)建模及振動(dòng)控制.pdf

1、轉(zhuǎn)動(dòng)懸臂板的振動(dòng)分析與控制是機(jī)械工程領(lǐng)域中的一個(gè)重要課題，許多航空航天結(jié)構(gòu)，如直升機(jī)旋翼、葉輪機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、衛(wèi)星天線以及太陽能帆板等，都可以簡化為轉(zhuǎn)動(dòng)的懸臂板模型。對于薄板結(jié)構(gòu)，基于主動(dòng)約束層阻尼(ACLD)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制是一種典型的混合控制技術(shù)，具有良好的智能性和魯棒性。對于作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的主動(dòng)約束層阻尼柔性板，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性會(huì)隨轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生變化，出現(xiàn)“動(dòng)力剛化”現(xiàn)象。此外，粘彈性材料的剪切模量也會(huì)隨溫度和頻率的變化而變化，壓電

2、材料又存在著機(jī)電耦合效應(yīng)。因此，論文通過對作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的ACLD柔性板建立較為準(zhǔn)確、合理的剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)方程，揭示系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，并通過模態(tài)辨識(shí)方法和控制理論進(jìn)行系統(tǒng)模型辨識(shí)、仿真與實(shí)時(shí)振動(dòng)控制，研究旋轉(zhuǎn)ACLD柔性板的動(dòng)態(tài)行為控制。 圍繞這些問題，論文從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的主動(dòng)約束層阻尼懸臂板的動(dòng)力學(xué)建模及其振動(dòng)控制進(jìn)行了較為全面的研究。論文主要完成了以下幾個(gè)方面的工作： 1.論文總結(jié)了有關(guān)剛-柔耦合動(dòng)力

3、學(xué)建模、主動(dòng)約束層阻尼振動(dòng)控制的大量文獻(xiàn)，對它的應(yīng)用背景、研究意義、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、已有的研究成果以及存在的問題作了較為全面的論述，在此基礎(chǔ)上對懸臂結(jié)構(gòu)的剛-柔耦合建模理論及主動(dòng)約束層阻尼的振動(dòng)主被動(dòng)控制進(jìn)行了更深入的研究。 2.論文在已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合第二類Lagrange方程和有限元方法推導(dǎo)了作自由運(yùn)動(dòng)矩形薄板的剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)方程，通過算例得到了繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的矩形懸臂(復(fù)合)板的動(dòng)力學(xué)特性，比較了不同轉(zhuǎn)速、不同長寬比以

4、及纖維方向?qū)?復(fù)合)板動(dòng)態(tài)特性的影響，并對理論模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。 3.論文將粘彈性材料的GHM模型與工程上常用的有限元方法結(jié)合在一起，通過引入耗散坐標(biāo)，避免了反復(fù)迭代求解模態(tài)參數(shù)及響應(yīng)。GHM模型的參數(shù)通過復(fù)頻域內(nèi)的非線性曲線擬合確定，最終轉(zhuǎn)化為具有約束條件的非線性優(yōu)化問題，并編制了相應(yīng)的非線性優(yōu)化程序。 4.論文建立了繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的主動(dòng)約束層阻尼矩形板的剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)模型。建模過程中充分考慮了剛-柔耦合作用、壓電

5、材料的機(jī)電耦合效應(yīng)以及粘彈性材料的本構(gòu)關(guān)系。推導(dǎo)出繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的主動(dòng)約束層阻尼矩形板的有限元方程，并對其模態(tài)特性及振動(dòng)控制進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，為實(shí)驗(yàn)研究奠定了理論基礎(chǔ)。 5.論文采用基于輸出的時(shí)域隨機(jī)子空間辨識(shí)方法對系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，獲取了密頻系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。對傳統(tǒng)的穩(wěn)定圖方法進(jìn)行了改造，模態(tài)參數(shù)穩(wěn)定性隨參與計(jì)算的數(shù)據(jù)量的增加而變化，并在穩(wěn)定圖中引入可以表示各階模態(tài)貢獻(xiàn)量大小的分量能量指標(biāo)，作為判斷參數(shù)穩(wěn)定性的判據(jù)之一。通過

6、數(shù)值仿真給出了密頻系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示子空間辨識(shí)方法具有較高的辨識(shí)精度，通過辨識(shí)得到的模態(tài)參數(shù)能夠反映原系統(tǒng)的固有特性。 6.論文采用子空間辨識(shí)方法，對繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的ACLD柔性懸臂板進(jìn)行模型辨識(shí)，并利用均衡降階方法對辨識(shí)的模型進(jìn)行降階，得到了可用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的最小可觀可控模型，直接用于控制器的設(shè)計(jì)。仿真算例表明所提方法及模型是有效性的、可靠的。 7.為了驗(yàn)證剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)模型

7、的正確性，論文設(shè)計(jì)了用于運(yùn)動(dòng)控制和振動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(這部分工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(N0.10672099)的資助)。利用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以模擬各種轉(zhuǎn)速下懸臂板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)，振動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以用于驗(yàn)證各種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)模型，而基于速度反饋的振動(dòng)控制能夠有效抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)。 論文首次對繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的主動(dòng)約束層阻尼矩形懸臂板的剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)建模及其振動(dòng)控制進(jìn)行了較為全面的研究。針

8、對實(shí)物對象-繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的主動(dòng)約束層阻尼板建立了有限元模型，通過模型辨識(shí)和降階得到了用于控制的可觀可控模型。在此基礎(chǔ)上，論文設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制及振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用驅(qū)動(dòng)器及其運(yùn)動(dòng)控制模塊對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，模擬各種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，并為作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)約束層阻尼矩形薄板設(shè)計(jì)了速度反饋控制器，建立了基于DSP控制板的結(jié)構(gòu)振動(dòng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)約束層阻尼矩形薄板在各種轉(zhuǎn)速下的頻率響應(yīng)和振動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所建的剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)模型具有實(shí)