智能柔板結(jié)構(gòu)低模態(tài)振形感知可視化與主動(dòng)控制研究.pdf

1、智能結(jié)構(gòu)代表著21世紀(jì)材料結(jié)構(gòu)發(fā)展的前瞻方向和全新趨勢(shì)，其內(nèi)涵是基于材料/結(jié)構(gòu)的機(jī)敏特性和信息處理單元的緊密融合或集成，不僅使結(jié)構(gòu)可以感知環(huán)境和自身特性，而且通過(guò)感知控制策略使結(jié)構(gòu)本身具有自診斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自修復(fù)、自響應(yīng)等能力，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的智能/智慧化。由于智能結(jié)構(gòu)概念的新穎性和內(nèi)涵的豐富性，特別在航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域具有非常誘人的應(yīng)用前景，目前已成為交叉融合材料結(jié)構(gòu)、信息科學(xué)、控制工程與計(jì)算機(jī)技術(shù)等諸多學(xué)科的研究熱點(diǎn)。

2、 智能表層結(jié)構(gòu)及其振動(dòng)主動(dòng)控制是智能結(jié)構(gòu)研究的重要內(nèi)容之一，就融入結(jié)構(gòu)基體的多路復(fù)用植入式傳感網(wǎng)絡(luò)及其信息處理技術(shù)而言，其承擔(dān)著感知外界環(huán)境的變化和結(jié)構(gòu)中各種信息的重要作用，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)和振動(dòng)形態(tài)的敏銳感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為獲知結(jié)構(gòu)的變化特征和健康狀況提供了安全保障，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)一定的控制規(guī)律去實(shí)時(shí)控制結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)單元以改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)，可以達(dá)到自適應(yīng)抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的目的。這一研究不僅在航空航天領(lǐng)域，而且在國(guó)防和民用其它眾多

3、領(lǐng)域也有著極其重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。 本文以航天柔性結(jié)構(gòu)如太陽(yáng)能帆板為理想應(yīng)用目標(biāo)，將光纖光柵信號(hào)檢測(cè)與處理方法、基于曲率信息的三維曲面擬合算法、計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論和控制策略結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行基于分布植入光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的智能柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)感知與臨場(chǎng)可視化技術(shù)的研究，以及基于形狀記憶材料SMA驅(qū)動(dòng)器的柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)主動(dòng)控制研究。通過(guò)構(gòu)建綜合采用光纖光柵和形狀記憶驅(qū)動(dòng)材料的主動(dòng)柔板智能結(jié)構(gòu)，探索基于分布式傳感網(wǎng)

4、絡(luò)的結(jié)構(gòu)面形動(dòng)態(tài)檢測(cè)與形狀重建可視化技術(shù)，以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)SMA主動(dòng)控制方法；開(kāi)發(fā)相應(yīng)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)與可視化環(huán)境實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行理論方法驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)分析研究。全文可以概括為振形感知與重建可視化、振動(dòng)響應(yīng)主動(dòng)控制、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)，以及實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證四個(gè)部分，所做的主要工作和貢獻(xiàn)如下： (1)首次基于分布植入光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的智能柔性帆板結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)和可視化環(huán)境開(kāi)發(fā)，構(gòu)建了一套智能柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)感知與現(xiàn)場(chǎng)

5、可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 (2)分析研究了基于智能材料結(jié)構(gòu)概念的信息感知與行為驅(qū)動(dòng)機(jī)敏材料，并著重分析了FBG光纖光柵傳感器與SMA行為驅(qū)動(dòng)材料的基本原理和性能特點(diǎn)。 (3)分析了基于FBG傳感網(wǎng)絡(luò)離散檢測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息并轉(zhuǎn)化為離散曲率信息的關(guān)系；深入研究基于離散曲率信息的智能柔板空間曲面重建理論與方法，充實(shí)了逆向工程中已知離散點(diǎn)曲率信息重建曲面的理論；對(duì)多種曲面擬合算法進(jìn)行了詳細(xì)的和分析和推導(dǎo)，并從算法擬合效果和運(yùn)算量?jī)煞矫孢M(jìn)行

6、比較，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)分析確定最終采用的算法，為實(shí)際技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供了理論和方法依據(jù)。 (4)探索智能柔板結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)的三維實(shí)時(shí)重建和現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)，以及基于OpenGL的計(jì)算機(jī)圖形處理方法和特效實(shí)現(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于大量復(fù)雜數(shù)據(jù)的柔板振動(dòng)形態(tài)現(xiàn)場(chǎng)直觀顯示。 (5)深入研究了基于智能柔板振動(dòng)形態(tài)感知環(huán)境下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)主動(dòng)控制策略，分析了SMA的形狀記憶效應(yīng)、超彈性效應(yīng)以及實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制的工作機(jī)理，設(shè)計(jì)構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)響應(yīng)主動(dòng)抑制的

7、控制方案與單元。 (6)分析介紹了智能柔板結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與構(gòu)建過(guò)程，包括材料的選擇與布置、基于有限元分析的機(jī)敏材料優(yōu)化配位、相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器的選擇與配置等。 (7)開(kāi)發(fā)了基于光纖信號(hào)解調(diào)器、高性能計(jì)算機(jī)，以及相關(guān)測(cè)控單元和儀器為核心的綜合測(cè)控系統(tǒng)；基于Visual C++6.0軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了智能柔板結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)感知、現(xiàn)場(chǎng)可視化及主動(dòng)控制的全套上/下位機(jī)系統(tǒng)測(cè)控軟件；實(shí)現(xiàn)完整的軟/硬件測(cè)控環(huán)境的構(gòu)建與開(kāi)發(fā)。 (8)