收藏本站
《西北工业大学》 2003年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

埋入压电材料的智能复合材料结构振动主动控制理论和实验研究

吴克恭  
【摘要】: 近20年来,智能材料结构随着材料科学、计算机技术、信息理论、控制理论等学科的发展已成为国内外最活跃的研究课题之一。智能材料结构是集智能传感元件、智能作动元件,微型计算机控制芯片等于一体的复合型结构,在航空、航天、国防、汽车、石油钻探、采矿、铁路运输、工业机器人、以及机床等各行各业中,都有着广泛的应用前景。继美国军方提出和展开大规模的研究之后,日本、英国、德国、澳大利亚、韩国等相继投入人力、财力开展智能材料结构的研究工作,我国自90年代以来,也有一批专家学者从事这方面的研究,某些成果已达到了国际先进水平。 智能材料结构振动主动控制技术就是借助于其中智能材料的作动和传感特性来对结构的振动进行控制。压电材料由于其自身的压电效应和逆压电效应而被制作成压电传感器和压电驱动器来对结构的振动进行控制。早期的研究主要集中在表面粘贴压电片的结构,表面粘贴压电片具有一些无法克服的缺点。本文着重进行利用埋入复合材料结构的压电传感器和压电驱动器对其振动进行主动控制的相关理论和实验研究,并介绍其相应结果。埋入型压电材料的优点主要是能保护压电传感器和作动器及其连线、增强压电材料和基体材料的耦合、优化埋入压电陶瓷的深度和厚度可增强压电传感器的测量信号并提高信噪比等。另外本文利用埋入复合材料结构中的压电传感器和驱动器对其进行模型识别而得出结构的动力学模型,再将该模型用于控制器的设计,这样做的好处是如果结构本身或者约束、环境等发生变化后,可以很方便地对结构的模型重新进行在线识别,及时更新控制参数,避免控制失效,而且不需要事先知道结构的其它属性。应用最优控制理论的全维状态观测器技术,结合所选取的压电传感器和作动器识别的结构动力学模型,可以设计出其最优控制器。实验表明,传感器信号的频谱峰值最大可以被有效的降低20分贝左右。 本文的工作主要集中在下面几个方面: (1).从压电材料的压电方程出发,针对埋入式压电片,分析埋入式压电片在和结构一起发生变形时基体结构材料和压电材料的应力应变的分布规律和关系。对其作动能力和传感能力进行了详细的推导,得到了埋入复合材料梁和板结构中压电片的压电作动弯矩方程和压电传感方程。 (2).分析了压电复合材料结构的有限单元建模方法和基于结构模态分析技术的实验模型识别方法。通过对埋有压电作动器和压电传感器的智能复合材料结构进行有限单元分析,建立起了结构振动的有限单元模型,并介绍了对有限 摘要 单元模型进行模型降阶的方法,使其适合于对结构的振动进行控制。同时利 用模态分析技术对结构的模态参数进行识别,用识别的模态参数建立了结构 振动的状态空间模型,为控制器的设计做好了准备。 (3).对压电复合智能材料结构设计了线性二次型最优控制器。同时分析了加权矩 阵在最优控制器设计中的作用,提出了一种简单有效、意义明确、计算量小、 不需要叠代计算的加权矩阵选取和计算方法。利用全维状态观测器技术对于 状态反馈所需的状态值进行估值,并将状态观测器的极点配置在反馈控制系 统极点的左侧,以使得状态观测器的响应速度比状态反馈控制系统的响应速 度快。 (4).通过对埋入梁结构中压电片的压电作动力矩方程进行分析,推导出了压电材 料埋入梁结构时其最优埋入深度和压电材料最优厚度的显式表达式,以及能 够取得这些最优值的条件。根据压电弯矩表达式,绘制出了在给定的基体材 料和压电材料弹性模量比之下,压电材料的驱动力矩随埋入深度和压电材料 厚度变化的三维曲面和等高线图,直观地表示出了埋入型压电智能复合材料 结构获得最佳驱动力矩的配置方案。试图给压电型智能材料结构的设计和制 造者提供一些有用的建议和指导。同时也分析了基体结构和压电材料两者的 弹性模量之比对压电作动力矩的影响。并将其结果也推广到了压电复合板结 构,指出了对于压电复合板结构还需考虑基体材料和压电材料泊松比的影 响。 (5).制作了埋有若干压电片的碳纤维复合材料梁结构,对于该复合材料梁结构进 行了实验模型识别、控制器设计和振动控制实验研究。实验模型识别结果表 明,利用埋入复合材料结构中的压电片,可以在较宽的频带内很好地识别结 构的动力学模型,并且当结构的动力学特性发生变化的时候,可以很方便地 对结构模型进行再识别,对模型参数进行及时更新,使得结构的识别模型能 够正确地描述实际结构。振动控制实验表明,利用实验识别模型和木文介绍 的控制器设计方法,可以很好地控制结构在被识别模态处的振动。同时实验 验证了本文提出的控制器设计时加权矩阵选择方法的有效性。
【学位授予单位】:

知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 任秀华,陆萌,麦汉超;智能结构的建模技术初探[J];强度与环境;1999年01期
2 靳洪允;压电材料的结构及其性能研究[J];山东陶瓷;2005年04期
3 舒小平;压电复合材料层板柱面弯曲的精化理论[J];应用力学学报;2005年01期
4 宋天舒,刘殿魁,于新华;SH波在压电材料中的散射和动应力集中[J];哈尔滨工程大学学报;2002年01期
5 杨新华,陈传尧,胡元太,王乘;压电切口张开角和深度对其尖端力电损伤场的影响[J];固体力学学报;2005年03期
6 向宏军;石志飞;;梯度功能压电材料的一组参数识别[J];北京交通大学学报;2006年01期
7 刘淑红,郭增强,邹振祝;含半无限长裂纹压电材料的Ⅲ型强度因子[J];中国安全科学学报;2003年09期
8 ;大尺寸新型压电材料四硼酸锂晶体[J];无机材料学报;1996年02期
9 梅甫良,李桂苓;压电材料层合板的精确解[J];佳木斯大学学报(自然科学版);1999年04期
10 刘淑红,张志国,邹振祝;压电材料中反平面渗透裂纹的解[J];工程力学;2003年05期
11 刘玮,丁丽霞,罗宏文;基于不同梯度模式压电功能梯度板的挠度与应力场分析[J];吉林大学学报(理学版);2005年05期
12 杨昌锦,李尧臣;压电材料圆环位移和电势边值问题的精确解[J];同济大学学报(自然科学版);2005年10期
13 仝兴华;侯密山;李玉坤;;压电材料平面裂纹启裂的能量释放率及电效应[J];中国石油大学学报(自然科学版);2006年02期
14 杜红亮;李智敏;周万城;屈绍波;裴志斌;;(Na_(0.5)K_(0.5))NbO_3基无铅压电陶瓷的研究进展[J];无机材料学报;2006年06期
15 白玉柱;于桂兰;许丽敏;;压电体光滑接触界面上的滑移界面波理论分析[J];北京交通大学学报;2007年04期
16 秦庆华,余寿文;压电材料的裂尖对数奇异性[J];科学通报;1996年02期
17 袁树清,赵玉成,张陵,许庆余;一种基于神经网络的振动主动控制方法[J];机械科学与技术;1998年04期
18 程耕国,程平;压电自感应调节器的研究[J];武汉科技大学学报(自然科学版);2005年02期
19 孔繁森;刘鹏;刘春颖;;基于压电智能结构的镗削振动主动控制的仿真与实验研究[J];振动与冲击;2010年03期
20 郝育新;孙彦军;王建华;;带压电层功能梯度悬臂板非线性动力学分析[J];北京信息科技大学学报(自然科学版);2010年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张克明;刘冬青;;微/纳米ZnO薄膜的压电行为研究[A];北京力学会第13届学术年会论文集[C];2007年
2 杨永波;石志飞;;梯度功能材料悬臂梁受线性分布载荷作用[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
3 王祥琴;刘金喜;;含椭圆夹杂压电材料反平面问题的基本解[A];第六届全国结构工程学术会议论文集(第一卷)[C];1997年
4 李平;;应用超声聚能器的超磁致伸缩和压电材料复合磁电换能器[A];第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会摘要集[C];2006年
5 应祖光;;平面应变轴对称压电圆柱壳的随机响应[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
6 常冬梅;王保林;凡友华;王旭越;;压电/弹性基底结构的静态反平面电/机械特征[A];第三届全国压电和声波理论及器件技术研讨会论文集[C];2008年
7 郭旭;靳凡;;基于广义JKR模型的横观各向同性压电半空间黏附接触[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
8 王晓明;亢战;;多层压电作动器结构拓扑优化设计[A];结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009(CSMO-2009)论文集[C];2009年
9 邹小平;段宝平;;压电复合材料及其在医用仪器方面的应用[A];海峡两岸医疗仪器学术会议论文集[C];1995年
10 段志杰;杨颖;吴华德;孙居华;;超声波电动机用压电材料的探讨[A];第十二届中国小电机技术研讨会论文集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 向云;日本开发出新型压电材料[N];中国电力报;2004年
2 本报记者 毛黎 聂翠蓉;未来手机不充电[N];科技日报;2008年
3 黄帅 张子雨 周亚楠;西安交大研制出一种新材料[N];中国经济时报;2009年
4 陈超;日本开发出新型压电材料[N];科技日报;2004年
5 记者 张哲浩;西安交大研制出无铅压电材料[N];科技日报;2010年
6 许祖华 冯国;我国首次研制出无铅压电材料[N];中国技术市场报;2009年
7 田原;压电材料令手机摄像机图像更清晰[N];大众科技报;2003年
8 ;日本开发出新型压电材料电致伸缩效应提高40倍[N];中国高新技术产业导报;2004年
9 冯卫东;不愁手机没电行囊就是电源[N];科技日报;2007年
10 李况;新型建筑电子化[N];中国房地产报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 吴克恭;埋入压电材料的智能复合材料结构振动主动控制理论和实验研究[D];西北工业大学;2003年
2 操卫忠;微态电弹性理论及其在压电材料微尺度计算中的应用[D];华中科技大学;2011年
3 李群;压电功能材料的断裂理论研究[D];西安交通大学;2008年
4 戴隆超;压电材料界面和断裂问题研究[D];南京航空航天大学;2008年
5 林哲祺;压电结构的控制参数与构型优化设计[D];大连理工大学;2011年
6 顾佥;压电材料中力学问题的辛体系方法[D];大连理工大学;2007年
7 向宏军;功能梯度压电智能梁的特性分析及其应用[D];北京交通大学;2007年
8 张涛涛;功能梯度压电微结构力—电耦合特性分析[D];北京交通大学;2008年
9 陈传文;声导波在铌镁酸铅—钛酸铅单晶中传播特性的研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
10 李双蓓;压电智能结构分析的新方法研究及其应用[D];广西大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张华;压电智能材料用于结构振动主动控制的研究[D];国防科学技术大学;2004年
2 刘卫星;压电式振动给料器的机理分析与实验研究[D];吉林大学;2006年
3 董洋洋;应用于高性能超声换能器的新型压电材料的优化研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 吴印泽;挠性体振动控制中传感器/致动器位置的优化配置[D];南京理工大学;2004年
5 魏双会;压电陶瓷发电特性及其应用研究[D];大连理工大学;2008年
6 汪心旺;半无限压电材料界面附近圆孔与裂纹的动力反平面特性[D];哈尔滨工程大学;2007年
7 容里;压电作动器设计及双层球面网壳结构振动主动控制研究[D];浙江大学;2008年
8 徐欣;功能梯度压电梁的多场耦合特性分析[D];北京交通大学;2008年
9 谢海军;夹杂在压电材料中的迁移及对压电材料蠕变特性的影响[D];上海交通大学;2012年
10 陈聪;压电材料接触问题再探[D];浙江大学;2011年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978