主動約束層阻尼結構建模與振動控制研究.pdf

1、近年來,主動約束層阻尼(Active Constrained Layer Damping,.ACLD)作為一種新型智能材料被廣泛應用于結構振動和噪聲的控制.典型的ACLD結構分為三層:主動約束層(通常由壓電材料制成)、粘彈性層(由粘彈性材料制成)和基結構.該類結構工作時,壓電層約束粘彈性層的變形,迫使粘彈性層發(fā)生剪切不斷耗散結構的振動能量.壓電層在外加電場作用下產生應變,迫使粘彈性層產生額外剪切變形.同時,外加電場在壓電層內誘導的控制力

2、和控制力矩能通過粘彈性層傳遞到基結構,主動耗散振動能量. ACLD結構中,粘彈性層能有效抑制結構高頻振動,而壓電層能在電壓控制器作用下控制結構低頻振動.因此,ACLD集成了主動控制和被動控制的優(yōu)點.作為一種新興的主被動雜交的阻尼技術,ACLD在國防工業(yè)、航空航天、機械工程、能源交通、土木工程等各領域有著廣泛的應用前景.對ACLD結構進行建模和振動控制研究,促進其在各領域的工程應用,具有十分重要的現(xiàn)實意義和相當誘人的潛在價值.

3、 論文首先綜述了國內外關于ACLD結構研究的大量文獻,對國內外這方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行深入的論述,指出存在的問題,為進一步研究提供詳細的資料背景.作者還介紹了本文的內容安排. 作者修正ACLD結構建模常用的一些基本假設,形成ACLD結構的純剪切模型(Pure Shear Model,PSM),使用目前最新穎有效的數(shù)值建模方法-譜有限元法(Spectral Finite Element Method,SFEM)建立ACL

4、D圓柱殼結構的頻域控制方程,這在國內尚屬首次.考慮到ACI_,D圓柱殼的動力形狀函數(shù)復雜且難以求取,作者以譜傳遞矩陣法(Spectral Fransfer Matrix Method,STMM)為媒介,巧妙地直接獲得ACLD全覆蓋圓柱殼的譜單元方程.同時改進時域的模態(tài)應變能法,獲得頻域方程中模態(tài)損失因子的估算方法. 譜有限元法用于復雜ACLD結構時,特征方程不僅階次高而且?guī)в形粗獏?shù),求取動力形狀函數(shù)相當困難.作者大膽提出譜有限

5、元法的一種全新改進方法--譜條單元法(Spectral Strip Element Method,SSEM).該方法先將ACLD結構分成若干個譜單元,再將每個譜單元視為多個勻質材料條通過邊界條件聯(lián)結而成,使用滿足勻質材料條齊次解耦動力學方程的簡單動力形狀函數(shù)來近似代替滿足ACLD結構耦合動力學方程的復雜動力形狀函數(shù),組裝這些條單元形成譜單元動力方程,最后按有限元法方式組裝所有譜單元形成整個結構的譜動力方程并求解.該新方法既保留了譜有限元

6、法精度高和單元少的優(yōu)點,又避開了動力形狀函數(shù)不易求取的困難.只要適當增加譜單元個數(shù),就能彌補因動力形狀函數(shù)近似帶來精度下降的缺點.作者將譜條單元法用于ACLD梁結構、PCLD圓柱殼和ACLD圓柱殼,均取得很好的計算結果,充分證實了譜條單元法的有效性. 粘彈性材料的彈性模量遠小于普通彈性材料,在橫向載荷作用下極易發(fā)生橫向壓縮變形,而粘彈性層橫向壓縮變形贏接影響壓電層的主動控制作用.目前,國內外尚無義獻涉及粘彈性層的壓縮效應.作者同

7、時考慮ACLD結構中粘彈性層的剪切變形和橫向壓縮變形,提出一種全新的剪切--壓縮模型(Shear-Compression Model,SCM).作者推導出剪切--壓縮模型下ACLD梁的運動微分方程和邊界條件,使用譜條單元法建立它的譜單元動力方程,針對典型的ACLD部分覆蓋梁算例進行數(shù)值計算,并與純剪切模型進行比較.研究表明:剪切--壓縮模型在預測固有頻率和模態(tài)損失因子方面優(yōu)于純剪切模型;除非粘彈性層極薄且控制增益很小,否則粘彈性層橫向壓

8、縮變形不可忽略. 譜有限元法和譜條單元法建立的ACLD結構頻域控制方程,不利于許多優(yōu)秀時域控制策略的實施.因此,作者想出一種有特色的方法--頻時轉換,將頻域控制方程轉換為時域控制方程.該方法通過求取ACLD結構的特征值和特征向量來構造時域控制方程,從而將結構控制方程由頻域轉換到時域.由于頻時轉換所得時域控制方程自由度偏多,不利于控制設計,作者先采用模態(tài)降階法對時域控制方程作自由度縮減,然后對降階時域控制方程對應的狀態(tài)空間方程作均

9、衡降階,保證狀態(tài)空間方程規(guī)模小,完全能觀和完全能控.作者以ACLD部分覆蓋梁結構為例,證實了頻時方程轉換、模態(tài)降階法和均衡降階的有效性. 當前ACLD控制器大多以優(yōu)化控制能量為目標,不能完全滿足工程要求.作者提出兩種新穎的面向振動阻尼的控制器設計:一種是基于輸出反饋的極點配置控制器設計,另一種是優(yōu)化控制能量的輸出反饋線性二次性穩(wěn)定度控制器設計.仿真結果顯示出這兩種控制器的工程實用性. 最后,作者總結了全文的工作和研究成果