撓電智能結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制與能量采集研究.pdf

1、智能結(jié)構(gòu)具有體積小、響應(yīng)快、變形大等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的傳感、振動(dòng)控制、噪聲控制與穩(wěn)定性控制等，在航空航天、機(jī)械電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。撓電材料不需要進(jìn)行極化處理，不存在退極化和老化問題等，應(yīng)用方便，因此撓電智能結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文基于一般雙曲率厚殼結(jié)構(gòu)建立了包含撓電效應(yīng)的力電耦合動(dòng)力學(xué)模型，該模型考慮了剪切效應(yīng)及旋轉(zhuǎn)慣性項(xiàng)，并且考慮了大變形的幾何非線性的影響。推導(dǎo)了逆撓電效應(yīng)作用下的力電耦合動(dòng)

2、力學(xué)方程，并給出了一般雙曲率厚殼結(jié)構(gòu)的模態(tài)控制響應(yīng)?；谝话汶p曲率厚殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程與撓電振動(dòng)控制模態(tài)響應(yīng)可簡(jiǎn)化應(yīng)用到一般雙曲率殼薄殼結(jié)構(gòu)與小變形結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)特定結(jié)構(gòu)的拉梅常數(shù)和曲率半徑，可簡(jiǎn)化應(yīng)用到不同的殼和非殼結(jié)構(gòu)。本文具體討論將一般雙曲率撓電薄殼應(yīng)用到撓電矩形板、撓電圓柱薄殼與撓電半球薄殼的簡(jiǎn)化應(yīng)用步驟。
　　基于撓電效應(yīng)推導(dǎo)的撓電控制動(dòng)力學(xué)方程，利用逆撓電效應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)控制的關(guān)鍵是構(gòu)造非均勻的電場(chǎng)即構(gòu)造電場(chǎng)梯度。本文分別

3、構(gòu)造了原子力顯微鏡(AFM)探針激勵(lì)、導(dǎo)線激勵(lì)與含金屬芯的撓電纖維等產(chǎn)生電場(chǎng)梯度的方式，并對(duì)不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)控制的研究。本文首先建立了基于AFM探針激勵(lì)的撓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制模型，并給出了激勵(lì)電壓作用下?lián)想娦?yīng)引起的懸臂梁的末端位移。同時(shí)進(jìn)行了撓電作動(dòng)實(shí)驗(yàn)，撓電作動(dòng)器位于不同位置時(shí)分別測(cè)量了撓電懸臂梁的末端位移，并與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了撓電作動(dòng)理論的可行性。撓電激勵(lì)引起的作動(dòng)位移與探針的半徑、位置以及撓電梁的厚度等有關(guān)，本

4、文優(yōu)化了不同的參數(shù)提高振動(dòng)控制的效率。
　　基于導(dǎo)線激勵(lì)構(gòu)造了產(chǎn)生電場(chǎng)梯度的另外一種方法，并對(duì)兩邊簡(jiǎn)支兩邊自由的矩形板進(jìn)行了振動(dòng)控制。針對(duì)矩形板的不同模態(tài)，分別討論了撓電效應(yīng)引起的振動(dòng)控制的位移，并討論了不同的參數(shù)對(duì)矩形板振動(dòng)控制位移的影響，優(yōu)化振動(dòng)控制的效果。此外，利用含金屬芯撓電纖維引起的電場(chǎng)梯度，對(duì)彈性懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)控制分析。同樣對(duì)撓電纖維半徑、金屬芯半徑、撓電纖維個(gè)數(shù)與位置等參數(shù)對(duì)振動(dòng)控制的影響進(jìn)行了分析討論。

5、>　　此外，本文基于正撓電效應(yīng)建立了基于一般雙曲率殼結(jié)構(gòu)的撓電俘能器模型，推導(dǎo)出了外部激勵(lì)作用下?lián)想姺芷髟谕獠控?fù)載電阻兩端產(chǎn)生的電壓與功率輸出。根據(jù)特定結(jié)構(gòu)的拉梅常數(shù)與曲率半徑，將一般雙曲率殼的撓電俘能器簡(jiǎn)化應(yīng)用到撓電圓柱殼俘能器、撓電圓環(huán)殼俘能器與撓電懸臂梁俘能器，給出了特定結(jié)構(gòu)俘能器的負(fù)載兩端的電壓和功率輸出表達(dá)，并對(duì)圓環(huán)殼俘能器進(jìn)行了具體的參數(shù)分析優(yōu)化輸出功率。為了討論撓電效應(yīng)在工程上的應(yīng)用，本文針對(duì)圓環(huán)面殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了撓電分布式