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《南京理工大学》 2002年
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压电层合壳振动的满意控制研究

余海  
【摘要】: 压电层合壳是一种由复合材料基体、压电作动/传感元件和控制单元所组成的自适应结构。它利用传感元件感受外界环境作用下的响应信息,在控制单元单元的调节下,通过驱动作动元件去改变结构状态,以适应环境条件的变化。在军事、航空、航天等领域,压电层合壳自适应结构具有广泛的应用前景。本文以先进复合材料身管的主动减振为背景,主要研究压电层合壳的结构动力学建模技术及其振动的满意控制。 本文围绕着压电层合壳的结构与材料特性、解析模型与有限元模型的构造、数值仿真结果的分析、动力学模型的满意降阶、振动的满意控制、传感/作动单元位置的遗传算法优化、系统设计方法及其软件实现等诸方面的问题进行了研究与探讨,并取得了一些可供应用参考的结论。 在动力学建模方面,由于机电耦合效应的引入,使得压电层合壳的分析问题有别于常规弹性板壳理论。本文在经典壳体理论和压电方程的基础上,对已有的α层合壳理论进行了扩展,并基于Mindlin理论——一阶剪切理论,同时考虑剪切变形和转动惯性效应,从结构的能量泛函出发,推导获得一组广泛适用的压电层合壳振动控制微分方程、传感方程和作动方程。在解析模型的基础上,运用有限元方法,构造了一种新型的八节点退化壳元—α—piezo单元,推导建立了表面粘贴有压电材料的层合壳结构的有限元动力学模型,并将其转换成状态空间和传递函数形式。解析建模和有限元建模为压电层合壳振动的满意控制提供了理论基础和分析手段。经算例考核,证实了程序的正确性和有效性。 由于工作环境复杂、恶劣,所受的载荷瞬态多变,压电层合壳的振动是一个非常复杂的随机振动问题。考虑到常规的模型降阶与控制设计方法的间接性和局限性,本文不追求单一性能指标最优,而是同时考虑压电层合壳的稳态性能和暂态性能,首次应用融合多性能指标的满意控制理论,对层合壳的动力学模型进行降阶,并设计控制器,使压电层合壳的振动响应满足给定的期望性能指标集,从而实现压电层合壳振动的满意控制。 对于离散分布的压电元件来讲,在控制器稳定的前提下,不同位置的传感/作动单元将产生不同的控制效果。本文从能量耗散观点出发,利用多峰值优化算法——遗传算法对传感/作动单元的优化配置问题进行了研究。 本文基于结构动力学与控制理论交叉的独特视角,结合工程实际背景,针对常规设计方法中的不足,就结构/控制一体化设计,即系统设计方法,阐述了自己的见解;并采用此方法,提出了基于Matlab和I-Deas平台的压电层合壳振动控制的通用仿真系统设计方案,并根据这一方案编制了软件仿真环境—RSDE,为压电层合壳的振动主动控制设计,提供了高效率的技术开发手段。 中文摘要 一吕.............. 本文对压电层合壳振动的满意控制进行了较为系统的分析研究,通过以上的工作表 明,有限元建模技术和满意控制理论相结合,将为先进复合材料身管的主动减振研究, 提供极具意义的参考。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TP273

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