大范圍運(yùn)動(dòng)電流變夾層梁的動(dòng)力學(xué)特性與振動(dòng)控制.pdf

1、電流變液 (Electrorheological nuids,簡稱ER.fluids) 是一種流變特性可控的智能流體材料.在外加電場的作用下,材料的物理特性如粘度、彈性、塑性等能發(fā)生快速可逆的變化.含有電流變材料的智能結(jié)構(gòu)與系統(tǒng),能在外加電場的作用下快速可逆地改變結(jié)構(gòu)本身的阻尼和剛度,且具有響應(yīng)速度快、工作能耗低、調(diào)節(jié)范圍大和控制方式簡單等優(yōu)點(diǎn),在結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制中獲得了人們的廣泛關(guān)注.自20世紀(jì)80年代Gandhi等最早將電流變材料應(yīng)用

2、于夾層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制研究以來,已有許多學(xué)者對電流變夾層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性和振動(dòng)控制進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究.但在以往的研究中,一般都是針對靜態(tài)梁或板進(jìn)行的,將電流變材料應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)柔性梁的振動(dòng)控制由于建模困難和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)較為復(fù)雜,有關(guān)的研究報(bào)道還較為少見. 本文是在國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(50390063)的資助下,以IC后封裝設(shè)備中的高速、高加速度運(yùn)動(dòng)操作機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)與控制為研究背景,試圖利用電流變夾層結(jié)構(gòu)的可控阻尼特性,將電

3、流變材料推廣應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)柔性梁的振動(dòng)控制.通過對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電流變夾層梁在不同結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)下的動(dòng)力學(xué)行為和振動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究,探討電流變材料應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)柔性梁振動(dòng)控制的可行性,為發(fā)展基于電流變材料的運(yùn)動(dòng)柔性梁自適應(yīng)振動(dòng)控制方法進(jìn)行探索性研究,為高速、高加速度運(yùn)動(dòng)柔性機(jī)械臂的振動(dòng)控制提供新的理論和方法. 本文主要的研究工作和成果如下: 1) 基于高階剪切變形理論和von-Karman應(yīng)變場理論,采用 Hamilton

4、 變分原理建立了大范圍運(yùn)動(dòng)多層復(fù)合材料層合梁的非線性動(dòng)力學(xué)模型.該模型在建模過程中不僅考慮了夾層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)梁的大范圍剛體運(yùn)動(dòng)與彈性小變形之間的非線性慣性耦合關(guān)系及材料層合間的結(jié)構(gòu)特性,而且假設(shè)梁的厚度和變形位移足夠大.推導(dǎo)得到的動(dòng)力學(xué)控制方程既能用于電流變夾層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)梁的動(dòng)力學(xué)研究,也為其他同類問題的相關(guān)研究提供了一個(gè)較完整的動(dòng)力學(xué)模型. 2) 將電流變材料等效為復(fù)模量受外加電場控制的粘彈性材料,在第二章大范圍運(yùn)動(dòng)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)

5、梁動(dòng)力學(xué)建模理論的基礎(chǔ)上,導(dǎo)出了電流變夾層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)梁的有限元控制方程.具體以做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電流變夾層梁為分析對象,研究了外加電場強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)速度和電流變材料芯層厚度等參數(shù)對梁的固有頻率與模態(tài)損耗因子的影響.數(shù)值仿真結(jié)果顯示,外加電場強(qiáng)度的增大能提高旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電流變夾層梁的剛度和模態(tài)損耗因子,減小系統(tǒng)的振動(dòng);轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的提高將使結(jié)構(gòu)的固有頻率升高,模態(tài)損耗因子減小,加劇梁的振動(dòng),導(dǎo)致電流變材料的振動(dòng)抑制效果減弱;增加電流變層的厚度,將降低固有頻

6、率,但同時(shí)可以增大模態(tài)損耗因子.說明含電流變材料的運(yùn)動(dòng)柔性梁具有變阻尼特性,在外加電場作用下,能顯著增大結(jié)構(gòu)的阻尼損耗,有效抑制系統(tǒng)的振動(dòng). 3)采用多尺度法對周期變速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電流變夾層梁的參激振動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究.假設(shè)電流變夾層梁繞固定軸線做隨時(shí)間變化的簡諧周期運(yùn)動(dòng),將運(yùn)動(dòng)梁作為一個(gè)時(shí)變參激振動(dòng)系統(tǒng),分析了不同結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)對梁的前兩階主參激及其組合參激共振不穩(wěn)定區(qū)域的影響.結(jié)果表明,增大外加電場強(qiáng)度使梁的不穩(wěn)定區(qū)域向高頻段移

7、動(dòng)的同時(shí),可使結(jié)構(gòu)發(fā)生參激失穩(wěn)的臨界角速度提高,不穩(wěn)定區(qū)的面積減少.電流變材料層厚度的增加將導(dǎo)致臨界激勵(lì)頻率減小,不穩(wěn)定區(qū)向低頻段移動(dòng),同時(shí)也可提高臨界角速度.而梁長度的增加將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性減弱.故在～定的條件下,可以通過改變作用于電流變央層梁的電場強(qiáng)度來調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)梁的振動(dòng)特性,提高系統(tǒng)的參激振動(dòng)穩(wěn)定性. 4)研究了受電場控制的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電流變夾層梁在基礎(chǔ)激勵(lì)作用下的參激振動(dòng)響應(yīng)特性.采用一次近似展開方法分析了受基礎(chǔ)激勵(lì)作用的定軸轉(zhuǎn)

8、動(dòng)電流變夾層梁發(fā)生參激振動(dòng)失穩(wěn)的條件.通過對電場作用下勻轉(zhuǎn)速電流變夾層梁在不同激勵(lì)參數(shù)、控制電場和旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)間歷程曲線和對應(yīng)相圖的數(shù)值分析,探討了電場作用下電流變夾層梁受基礎(chǔ)激勵(lì)與定軸轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)合作用時(shí)的動(dòng)力學(xué)行為和參激振動(dòng)穩(wěn)定性. 5)對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電流變夾層梁在外加電場作用下的振動(dòng)控制效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.設(shè)計(jì)并建立了用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電流變夾層梁振動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)跟蹤控制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)研究了作來回往復(fù)擺動(dòng)的電流變夾層梁在不同外