壓電曲殼曲梁組合結(jié)構(gòu)的有限元分析和形狀控制.pdf

1、壓電智能結(jié)構(gòu)的研究在近幾年來(lái)備受關(guān)注，壓電材料以其靈敏度高、反應(yīng)迅速、應(yīng)用方便而廣泛應(yīng)用于航空航天、精密儀器、電子、水聲等各個(gè)領(lǐng)域。尤其是在需要高精度控制的方面，壓電材料有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。本文以有限元方法為基礎(chǔ)，討論了熱壓電耦合場(chǎng)下桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，重點(diǎn)構(gòu)建了空間壓電曲殼、壓電曲梁?jiǎn)卧?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了空間曲面結(jié)構(gòu)的靜態(tài)形狀控制，并且在形狀控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了作動(dòng)器的優(yōu)化配置，得到了良好的控制效果。本課題是國(guó)家自然科學(xué)基金(10772038，

2、10421202，10302006)和澳大利亞ARC基金(Australian Research Council：LX0348548 and DP0666683)資助項(xiàng)目，全文內(nèi)容分為以下幾章： 第一章：緒論部分從智能結(jié)構(gòu)的概念出發(fā)，簡(jiǎn)述了壓電材料的力學(xué)特性和工程應(yīng)用?？偨Y(jié)了前人在相關(guān)領(lǐng)域的部分工作，提出了本文的研究?jī)?nèi)容、課題背景、研究意義以及研究工作的基本框架。 第二章：從平衡方程出發(fā)，綜合考慮了溫度場(chǎng)、機(jī)械場(chǎng)、電場(chǎng)的

3、耦合作用，推導(dǎo)了熱壓電桁架結(jié)構(gòu)的有限元靜力分析方程、屈曲穩(wěn)定性方程。根據(jù)算例指出了溫度場(chǎng)對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性的影響。得到了熱壓電桁架結(jié)構(gòu)的靈敏度公式，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)論指出在把壓電桿用作主動(dòng)控制元件的時(shí)候，充分考慮多場(chǎng)耦合的影響，更能充分發(fā)揮材料的性能，得到更經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 第三章：推導(dǎo)了一個(gè)基于空間任意形狀的壓電曲殼單元，以此構(gòu)造了有限元模型。特別是利用約束方程連接主殼結(jié)構(gòu)和壓電作動(dòng)器，簡(jiǎn)化了模型，削減了

4、計(jì)算規(guī)模。在此基礎(chǔ)上，首先利用最小二乘法實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)形狀控制，然后又提出了形狀控制和優(yōu)化一體化設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)了更為實(shí)用的同時(shí)考慮電壓和厚度作為設(shè)計(jì)變量的結(jié)構(gòu)形狀控制，數(shù)值算例顯示可以得到更好的控制效果。 第四章：基于連續(xù)體的彈性理論構(gòu)造了空間曲梁?jiǎn)卧谇旱幕A(chǔ)上推導(dǎo)了空間壓電曲梁?jiǎn)卧?。為了削減計(jì)算量，在梁殼組合結(jié)構(gòu)的有限元模型中利用約束方程連接梁殼單元。利用最小二乘法構(gòu)建了形狀控制的優(yōu)化模型，以控制形狀和目標(biāo)形狀之間的

5、誤差平方和做為優(yōu)化目標(biāo)，得到了形狀控制的最優(yōu)電壓分布，實(shí)現(xiàn)了利用壓電曲梁作動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)形狀控制。 第五章：研究了形狀控制中作動(dòng)器的優(yōu)化配置問(wèn)題，在優(yōu)化配置的過(guò)程中尋找控制電壓在當(dāng)前配置上的最優(yōu)分布。優(yōu)化方法采用帶約束的遺傳算法，利用二進(jìn)制和實(shí)型數(shù)混合編碼，構(gòu)建了在形狀控制的同時(shí)對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化配置、尋找最優(yōu)電壓分布的優(yōu)化模型。利用該模型，分別得到了不同優(yōu)化目標(biāo)、不同約束條件下的壓電作動(dòng)器的最優(yōu)配置。最后總結(jié)全文，并展望了可