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超声速梁板结构气动弹性颤振分析及控制

宋智广  
【摘要】:为了增强梁板结构的气动弹性稳定性,本文对超声速梁和复合材料层合板结构进行了气动弹性颤振分析和主动振动控制研究。 对含有主动约束层阻尼(ACLD)的超声速梁结构,采用Hamilton原理和假设模态方法建立结构的运动方程,其中非定常气动力模型由一阶活塞理论建立。采用速度负反馈控制算法设计了控制器,并获得了主动阻尼。求解广义本征值问题,得到复特征值,进而得到结构的固有频率和阻尼比等物理量。计算了超声速梁结构固有频率随无量纲气动压力的变化曲线,由此对结构进行了颤振分析。数值计算结果表明,由粘弹性材料提供的被动阻尼可以微弱的增大结构的颤振临界气动压力,而由压电材料获得的主动阻尼,则可以使超声速梁结构的颤振临界气动压力得到显著的提高。在此基础上,考虑到主动约束层阻尼中的粘弹性阻尼材料在颤振抑制中的作用较小,并且它的性能受温度的影响较大,因此将其去掉,仅用压电作动器和传感器对超声速梁结构进行气动弹性颤振分析和主动振动控制研究。结构气动力模型、运动方程的建立及求解均采用与主动约束层阻尼梁相同的方法。为了研究超声速结构颤振边界处的振动控制特性,采用有限差分方法求解了结构在单位脉冲载荷作用下的脉冲响应。 在对超声速梁结构的气动弹性颤振分析和主动振动控制研究的基础上,分析了超声速复合材料层合板结构的气动弹性特性。结构的运动方程仍然由Hamilton原理和假设模态法建立,同时采用活塞理论模拟非定常气动力,并考虑了气动阻尼的影响。采用了两种不同的控制算法,即速度反馈和比例反馈对结构进行了主动气动弹性分析。求解了超声速结构系统的运动方程和脉冲响应,分析了层合板的构型对超声速复合材料层合板结构的气动弹性特性的影响,并且比较了两种控制算法对气动弹性颤振分析和主动振动控制的作用效果。 采用遗传算法对压电作动器和传感器在超声速复合材料层合板上的铺设位置进行了优化设计,并分析了其对超声速层合板结构的颤振抑制和振动控制的重要作用。应用LQR控制算法对超声速层合板结构进行了颤振分析及颤振边界处振动控制研究,分析了LQR控制算法在提高超声速平板结构的气动弹性稳定性中的优势。 本文的研究结果对超声速结构的气动弹性设计具有重要意义。


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