光控作動(dòng)器本構(gòu)建模及板殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)控制的研究.pdf

1、將智能材料作為傳感器及作動(dòng)器,層合于空間板殼結(jié)構(gòu)表面或嵌入其內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的智能控制已經(jīng)成為航空、航天領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的作動(dòng)器(如壓電作動(dòng)器、記憶合金作動(dòng)器及電致伸縮作動(dòng)器等)相比,當(dāng)采用基于光電材料鑭改性鋯鈦酸鉛(PLZT)的光控作動(dòng)器時(shí),由于作動(dòng)器與控制光源間無需線路連接,因此可以避免電磁干擾,并且符合航空、航天結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化發(fā)展的趨勢,具有重大的理論研究價(jià)值。本文將開展利用光控作動(dòng)器的板殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究,提出利用沿

2、厚度(0-3)方向極化的PLZT(簡稱PLZT(0-3))作動(dòng)器及光控壓電混合驅(qū)動(dòng)兩種方式實(shí)現(xiàn)板殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制,針對光控作動(dòng)器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)應(yīng)變的本構(gòu)模型、光電層合板殼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、面向不同應(yīng)用背景的分布式光控作動(dòng)器的構(gòu)型設(shè)計(jì)及光控作動(dòng)器的激勵(lì)策略等問題展開系統(tǒng)的研究,為此類智能結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　分別建立了PLZT(0-3)作動(dòng)器及光控壓電混合驅(qū)動(dòng)方式的本構(gòu)方程?；赑LZT在光-電-熱-力等多能場

3、耦合作用下的反常光生伏打效應(yīng)及光致伸縮機(jī)理,研究光照強(qiáng)度及PLZT(0-3)作動(dòng)器的尺寸參數(shù)對其產(chǎn)生的飽和光致應(yīng)變及時(shí)間常數(shù)的影響,從而建立了PLZT(0-3)作動(dòng)器在光照階段產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)應(yīng)變的數(shù)學(xué)模型;提出了利用PLZT在紫外光照射下產(chǎn)生的光電壓驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器的光控壓電混合驅(qū)動(dòng)方式,利用等效電路模型,建立了光控壓電混合驅(qū)動(dòng)下作動(dòng)器產(chǎn)生應(yīng)變的本構(gòu)方程;通過實(shí)驗(yàn)證明了所建立的數(shù)學(xué)模型能準(zhǔn)確描述在不同光強(qiáng)下,光控作動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變隨光照時(shí)間的

4、動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
　　基于Hamilton原理和多層薄殼理論,建立了可適用于不同結(jié)構(gòu)類型、不同幾何參數(shù)的光控層合板殼結(jié)構(gòu)的通用動(dòng)力學(xué)模型;基于所建立的動(dòng)力學(xué)模型,利用模態(tài)展開技術(shù)建立了光控層合板殼結(jié)構(gòu)的模態(tài)控制方程及分布式光控作動(dòng)器在激勵(lì)信號的作用下,對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的模態(tài)控制力數(shù)學(xué)模型。為研究作動(dòng)器布局及構(gòu)型設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。
　　基于作動(dòng)器邊界條件的的變化,開展了能產(chǎn)生多自由度非均勻控制力/力矩的新型光致伸縮作動(dòng)器構(gòu)型的研究?；谄?/p>

5、面位移變分法,建立了特定邊界條件下,作動(dòng)器在激勵(lì)信號的作用下對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的非均勻控制力及力矩的分布函數(shù);以開口圓柱殼為例,利用模態(tài)控制因子,參數(shù)評價(jià)了新型作動(dòng)器的尺寸、布局對其產(chǎn)生模態(tài)控制行為的影響;針對PLZT(0-3)光致伸縮作動(dòng)器“單向驅(qū)動(dòng)性”的特點(diǎn),提出了對新型作動(dòng)器各區(qū)域的速度反饋半周期激勵(lì)的控制策略;利用Newmark-β法對開口圓柱殼的模態(tài)控制方程進(jìn)行數(shù)值仿真分析,仿真結(jié)果證明了本文所提出的控制策略的有效性,并且表明增大光照

6、強(qiáng)度可以提高作動(dòng)器的響應(yīng)速度,從而改善新型作動(dòng)器對結(jié)構(gòu)的模態(tài)控制效果。
　　研究表面成型式作動(dòng)器構(gòu)型,以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的光控獨(dú)立模態(tài)控制。針對典型結(jié)構(gòu),推導(dǎo)了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)獨(dú)立模態(tài)控制的光控作動(dòng)器表面電極形狀函數(shù);以懸臂梁結(jié)構(gòu)為例,分別研究了基于PLZT(0-3)作動(dòng)器及光控壓電混合驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的獨(dú)立模態(tài)控制。針對PLZT(0-3)作動(dòng)器,提出了作動(dòng)器各個(gè)區(qū)域雙面粘貼,兩個(gè)光源ON/OFF的激勵(lì)策略;針對光控壓電混合驅(qū)動(dòng),提出了多片PLZ

7、T與壓電作動(dòng)器正/反接控制的激勵(lì)策略;結(jié)合速度反饋定光強(qiáng)控制的控制算法,分別對兩種光控方式下懸臂梁的獨(dú)立模態(tài)控制進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,仿真結(jié)果證明了針對光控板殼結(jié)構(gòu)獨(dú)立模態(tài)控制,作動(dòng)器表面電極形狀函數(shù)設(shè)計(jì)及控制策略的正確性。
　　對光控壓電混合驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)策略及光控結(jié)構(gòu)獨(dú)立模態(tài)主動(dòng)控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。針對光控壓電混合驅(qū)動(dòng)提出四種激勵(lì)策略,并對其可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析;搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對模態(tài)傳感器的正交模態(tài)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;通過對不同光照強(qiáng)