電流變夾層結(jié)構(gòu)半主動振動控制的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在外加電場的控制下，電流變液(Electrorheological fluids,簡稱ER fluids)的物理特性如粘度、彈性等能發(fā)生快速可逆的變化。含有電流變材料的智能結(jié)構(gòu)，能在外加電場的作用下快速可逆地改變自身的阻尼和剛度，所以在智能振動控制領(lǐng)域具有廣闊的前景。
　　作為一種日漸成熟的振動控制技術(shù)，基于電流變的半主動振動控制技術(shù)在得到工程應(yīng)用的同時也在不斷地發(fā)展中。隨著航空航天、建筑、艦船等領(lǐng)域?qū)Π褰Y(jié)構(gòu)振動水平要求的提高，半

2、主動控制下的夾層梁、板結(jié)構(gòu)具備了更廣闊的應(yīng)用前景。自20世紀80年代Gandhi等最早將電流變材料應(yīng)用于夾層結(jié)構(gòu)的振動控制研究以來，已有許多學(xué)者對電流變夾層結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性和振動控制進行了深入的理論和實驗研究。然而，目前電流變梁、板夾層結(jié)構(gòu)的智能振動控制，仍然是處于探索階段，并且存在幾個關(guān)鍵問題亟需解決。
　　本文從工程應(yīng)用需求出發(fā)，結(jié)合電流變夾層結(jié)構(gòu)目前的研究現(xiàn)狀，以其動力學(xué)分析為基礎(chǔ)，試圖利用電流變夾層結(jié)構(gòu)的剛度可控特性，將電

3、流變材料推廣應(yīng)用到柔性梁、板的振動控制。通過對電流變夾層板在不同激勵工況和變剛度算法控制下的減振性能進行理論和仿真研究，研究并解決了時滯穩(wěn)定、夾層優(yōu)化布置和傳感器優(yōu)化布置等關(guān)鍵問題，從而掃除了電流變夾層結(jié)構(gòu)在振動控制實際應(yīng)用中的障礙，也為平面結(jié)構(gòu)的振動控制提供新的理論和方法。本文主要創(chuàng)新工作和成果包括以下幾個方面：
　　(1)電流變液處理為可控粘彈性材料，基于Hamilton原理建立電流變夾層梁、板的有限元模型，分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

4、和電場強度對 ER夾層結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性的影響。編寫了匹配多種工況、半主動控制算法的MatLab的仿真程序，用相同幾何、物理條件的研究結(jié)果進行了可靠性驗證。系統(tǒng)地分析了電流變夾層結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)和參激振動穩(wěn)定性，為后續(xù)的智能控制提供基礎(chǔ)。用時滯相位曲線推導(dǎo)了變剛度控制的時滯穩(wěn)定區(qū)域，并用Taylor展開預(yù)測、瞬時最優(yōu)補償和模糊補償進行變剛度控制中的時滯補償，最后用數(shù)值算例驗證了在電流變夾層板系統(tǒng)中使用變剛度控制的可行性。
　　(2)設(shè)

5、計了三類五種半主動的變剛度控制算法，在7種設(shè)定工況下，從減振效果和控制能耗的角度，分析比較各算法的優(yōu)劣性。開關(guān)控制算法具有卓越的振動控制性能，也是一切變剛度算法的理論基礎(chǔ)。模糊控制算法、瞬時最優(yōu)控制算法付出較小的控制效果代價，但控制力較為連續(xù)，能一定程度上抑制加速度響應(yīng)。模態(tài)變剛度算法具備較好的減振性能，具有最強的適應(yīng)性，并且控制能耗較為節(jié)能。
　　(3)基于變剛度控制的分析，構(gòu)造了電流變夾層結(jié)構(gòu)的單階模態(tài)和綜合模態(tài)的頻率變化率為

6、優(yōu)化目標函數(shù)，采用粒子群優(yōu)化方法，以這兩個函數(shù)為目標，對結(jié)構(gòu)進行了拓撲優(yōu)化，然后獲得一定材料使用率限制下拓撲構(gòu)形。然后，采用變剛度控制的等效阻尼比和時域響應(yīng)對比兩種手段對拓撲優(yōu)化的結(jié)果進行了驗證，結(jié)果都表明這些優(yōu)化布置能在較小的材料利用率下，可以取得較好的變剛度控制性能，同時也檢驗了模態(tài)控制算法的有效性。
　　(4)為了解決ER夾層板系統(tǒng)的模態(tài)控制的實用性問題，研究了懸臂板模態(tài)坐標估計和傳感器定位問題。首先，按照變剛度模態(tài)控制算法

7、的要求，給出了離散坐標下模態(tài)坐標估計的方法；然后，根據(jù)連續(xù)結(jié)構(gòu)的振型分析，分析傳感器定位計算，建立了數(shù)學(xué)優(yōu)化模型；最后，按照模態(tài)動能法初步篩選然后，枚舉得到傳感器優(yōu)化布置方案，并且從估計精度和控制效果兩個角度進行了布置方案的算例驗證。結(jié)果表明，優(yōu)化的傳感器布置能在較少的數(shù)目下，模態(tài)坐標估計滿足模態(tài)控制算法的輸入需求。
　　(5)研究粘彈性和電流變夾層的箱柱結(jié)構(gòu)的振動和阻尼特性。通過對箱柱模型有限元建模、分析多種電場條件下的模態(tài)阻尼

8、和頻率，并且與已有的研究進行對照。一端固定一端自由箱柱結(jié)構(gòu)，分析在芯層厚度、外加電場強度兩個參數(shù)變化時的振動特性和阻尼特性。結(jié)果顯示，夾層箱柱結(jié)構(gòu)本身具備較強的被動阻尼，而在外加電場的作用下，結(jié)構(gòu)剛度的變化率相對較小，并且系統(tǒng)的時滯穩(wěn)定區(qū)域很小，所以變剛度控制不適合此類受控結(jié)構(gòu)，計算同時也表明，粘彈性約束阻尼能實現(xiàn)箱柱結(jié)構(gòu)的彎曲模態(tài)減振。
　　(6)從航天帆板振動控制的實際需求出發(fā)，采用較為真實的尺寸數(shù)據(jù)，建立基于電流變的航天帆板