主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)建模與振動(dòng)控制研究.pdf

1、近年來(lái),主動(dòng)約束層阻尼(Active Constrained Layer Damping,.ACLD)作為一種新型智能材料被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲的控制.典型的ACLD結(jié)構(gòu)分為三層:主動(dòng)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(jié)構(gòu).該類結(jié)構(gòu)工作時(shí),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(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量.壓電層在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生應(yīng)變,迫使粘彈性層產(chǎn)生額外剪切變形.同時(shí),外加電場(chǎng)在壓電層內(nèi)誘導(dǎo)的控制力

2、和控制力矩能通過(guò)粘彈性層傳遞到基結(jié)構(gòu),主動(dòng)耗散振動(dòng)能量. ACLD結(jié)構(gòu)中,粘彈性層能有效抑制結(jié)構(gòu)高頻振動(dòng),而壓電層能在電壓控制器作用下控制結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng).因此,ACLD集成了主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn).作為一種新興的主被動(dòng)雜交的阻尼技術(shù),ACLD在國(guó)防工業(yè)、航空航天、機(jī)械工程、能源交通、土木工程等各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.對(duì)ACLD結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和振動(dòng)控制研究,促進(jìn)其在各領(lǐng)域的工程應(yīng)用,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和相當(dāng)誘人的潛在價(jià)值.

3、 論文首先綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于ACLD結(jié)構(gòu)研究的大量文獻(xiàn),對(duì)國(guó)內(nèi)外這方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行深入的論述,指出存在的問(wèn)題,為進(jìn)一步研究提供詳細(xì)的資料背景.作者還介紹了本文的內(nèi)容安排. 作者修正ACLD結(jié)構(gòu)建模常用的一些基本假設(shè),形成ACLD結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的頻域控制方程,這在國(guó)內(nèi)尚屬首次.考慮到ACI_,D圓柱殼的動(dòng)力形狀函數(shù)復(fù)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(shí)改進(jìn)時(shí)域的模態(tài)應(yīng)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(fù)雜ACLD結(jié)構(gòu)時(shí),特征方程不僅階次高而且?guī)в形粗獏?shù),求取動(dòng)力形狀函數(shù)相當(dāng)困難.作者大膽提出譜有限

5、元法的一種全新改進(jìn)方法--譜條單元法(Spectral Strip Element Method,SSEM).該方法先將ACLD結(jié)構(gòu)分成若干個(gè)譜單元,再將每個(gè)譜單元視為多個(gè)勻質(zhì)材料條通過(guò)邊界條件聯(lián)結(jié)而成,使用滿足勻質(zhì)材料條齊次解耦動(dòng)力學(xué)方程的簡(jiǎn)單動(dòng)力形狀函數(shù)來(lái)近似代替滿足ACLD結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力學(xué)方程的復(fù)雜動(dòng)力形狀函數(shù),組裝這些條單元形成譜單元?jiǎng)恿Ψ匠?最后按有限元法方式組裝所有譜單元形成整個(gè)結(jié)構(gòu)的譜動(dòng)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(diǎn),又避開了動(dòng)力形狀函數(shù)不易求取的困難.只要適當(dāng)增加譜單元個(gè)數(shù),就能彌補(bǔ)因動(dòng)力形狀函數(shù)近似帶來(lái)精度下降的缺點(diǎn).作者將譜條單元法用于ACLD梁結(jié)構(gòu)、PCLD圓柱殼和ACLD圓柱殼,均取得很好的計(jì)算結(jié)果,充分證實(shí)了譜條單元法的有效性. 粘彈性材料的彈性模量遠(yuǎn)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(dòng)控制作用.目前,國(guó)內(nèi)外尚無(wú)義獻(xiàn)涉及粘彈性層的壓縮效應(yīng).作者同

7、時(shí)考慮ACLD結(jié)構(gòu)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(dǎo)出剪切--壓縮模型下ACLD梁的運(yùn)動(dòng)微分方程和邊界條件,使用譜條單元法建立它的譜單元?jiǎng)恿Ψ匠?針對(duì)典型的ACLD部分覆蓋梁算例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并與純剪切模型進(jìn)行比較.研究表明:剪切--壓縮模型在預(yù)測(cè)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(jié)構(gòu)頻域控制方程,不利于許多優(yōu)秀時(shí)域控制策略的實(shí)施.因此,作者想出一種有特色的方法--頻時(shí)轉(zhuǎn)換,將頻域控制方程轉(zhuǎn)換為時(shí)域控制方程.該方法通過(guò)求取ACLD結(jié)構(gòu)的特征值和特征向量來(lái)構(gòu)造時(shí)域控制方程,從而將結(jié)構(gòu)控制方程由頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域.由于頻時(shí)轉(zhuǎn)換所得時(shí)域控制方程自由度偏多,不利于控制設(shè)計(jì),作者先采用模態(tài)降階法對(duì)時(shí)域控制方程作自由度縮減,然后對(duì)降階時(shí)域控制方程對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)為例,證實(shí)了頻時(shí)方程轉(zhuǎn)換、模態(tài)降階法和均衡降階的有效性. 當(dāng)前ACLD控制器大多以優(yōu)化控制能量為目標(biāo),不能完全滿足工程要求.作者提出兩種新穎的面向振動(dòng)阻尼的控制器設(shè)計(jì):一種是基于輸出反饋的極點(diǎn)配置控制器設(shè)計(jì),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(shè)計(jì).仿真結(jié)果顯示出這兩種控制器的工程實(shí)用性. 最后,作者總結(jié)了全文的工作和研究成果