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PLZT光致伸缩特性及光电层合回转薄壳主动控制的研究

王新杰  
【摘要】:回转壳结构在航空、航天、民用和国防工业领域有着广泛的应用,其形状控制和振动控制一直是系统设计和工程应用中的重点和难点。利用智能材料来实施有效的主动激励,是目前对回转壳进行主动控制所采取的一种重要方法。但由电、磁信号激发的智能材料,需要复杂的激发装置和连接导线,易引起电磁噪音干扰,而新型的智能材料镧改性锆钛酸铅(PLZT)陶瓷,可将光能转化为机械能,无电磁噪声干扰,适于在太空环境下实施非接触激励及远程控制。因此,本文在对PLZT陶瓷光致伸缩特性研究的基础上,对光电层合回转壳结构的主动控制问题展开研究,旨在为光电类智能结构的工程应用提供理论依据。 对多能场耦合下PLZT的光致伸缩效应进行研究,揭示了冷光源(LED-UV)照射下的光致伸缩机理;基于PLZT陶瓷等效电学模型,研究了光照强度、PLZT陶瓷长宽比及PLZT陶瓷厚度参数对光致应变的影响,建立了PLZT陶瓷在光照阶段的光致伸缩数学模型,并通过光致伸缩静态实验验证了该数学模型的正确性;对光照停止阶段的残余应变进行研究,给出了残余应变的表达形式及黑暗时间常数与光照时间常数的关系。 对PLZT陶瓷基光致伸缩作动器的构型及激励特性进行研究。分析了0-1极化式、0-3极化式、双晶片式及多片组合式四种构型下光致伸缩作动器产生光致形变的特点;在确定与被控结构体层合方式的基础上,推导了不同构型下光致伸缩作动器所产生的激励力与力矩;对光致伸缩作动器的激励策略进行了研究,提出了单个光源ON/OFF激励与两个光源双面ON/OFF激励两种激励策略;分析了不同构型光致伸缩作动器的适用性,最后确定0-1极化式光致伸缩作动器作为回转薄壳结构主动控制的作动器构型。 从弹性薄壳的Love方程出发,推导出光电层合开口圆柱壳、开口薄球壳和抛物薄壳三种典型回转薄壳结构的控制方程;为将光电层合薄壳结构的控制方程由物理空间转换到模态空间,从而实现模态解耦,采用membrane理论对自由边界条件下的开口薄球壳和抛物薄壳的模态振型函数进行推导;利用模态展开方法推导出光电层合开口圆柱壳、开口薄球壳及抛物薄壳的模态控制方程,并给出了相对应的模态控制因子表达式,利用模态控制因子对这三种光电层合回转薄壳结构进行了模态控制分析,为光致伸缩作动器在薄壳结构上的空间布局提供理论依据。 为实现对光电层合回转薄壳结构的闭环控制,对光电层合回转薄壳结构的主动控制策略进行了研究。在对光电层合智能结构主动控制特性分析的基础上,给出了适合光电层合回转薄壳结构的光源激励策略;提出了基于速度比例反馈的定光强控制和变光强控制两种算法;将光源激励策略与控制算法相结合形成适合光电层合回转薄壳结构的主动控制策略,利用Newmark-β法对闭环控制下光电层合回转薄壳的模态控制方程进行数值分析;以光电层合抛物薄壳为实例,对一阶和二阶模态进行了主动振动控制仿真,仿真分析结果表明,定光强控制效果要优于变光强控制效果,且在同一种控制算法下,作动器的布局会对控制效果产生影响。 为验证相关理论分析的正确性及主动控制策略的有效性,以光电层合树脂抛物薄壳结构为实例,开展了主动控制实验研究。搭建了实验平台,对两种自由边界实现方式下的抛物壳进行了固有频率测试与分析;对光电层合抛物薄壳进行了主动激励特性实验、电极短接开关控制实验及主动振动控制实验;实验结果证明,光致伸缩作动器对抛物薄壳可产生主动控制力,可抑制抛物薄壳的低阶模态振动,从而验证了本文所提出的光电层合回转薄壳结构主动控制策略的有效性。


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