智能结构中致动器位置和尺寸的优化研究

在研究智能结构振动主动控制致动器的位置和尺寸优化问题中,首先推导了多压电片传感方程、致动方程和结构的动能、势能表达式,并结合模态的可控性、可观性以及模态价值构建致动器位置尺寸优化准则;然后结合智能简支梁实例计算出其粘贴压电致动器的最优位置和尺寸,并通过编写APDL(ansys parameter design language)程序对粘贴有压电材料的智能简支梁结构进行瞬态动力学分析,实现对智能梁的振动控制仿真。     

智能桁架振动控制中主动杆件多目标最优配置

在智能桁架机构机电耦合静／动力分析模型基础上,给出结构系统压电元件对变形的检测方程,并分析系统动态特性,除位移模态外,得到了系统电势模态。进一步采用独立模态空间控制方法对结构振动进行控制,并进行主动杆件多目标最优配置研究。除控制能量最小化外,对非控模态的控制溢出和观测溢出最小化是另外两个优化配置目标函数。算例表明了分析方法的可行性和有效性。     

区间参数梁结构热弹耦合效应分析

研究了含有区间参数梁结构在温度载荷和力载荷共同作用下的热弹耦合动力响应问题．建立了热弹耦合动力学有限元模型,给出了对结构瞬态温度场和动力响应进行相互交替迭代求解的耦合计算方法,其中,结构瞬态温度场利用有限差分法求解,结构动力响应则利用时间积分法求解．针对区间变量的有限元方程,基于各变量在区间范围内为均匀分布的近似处理,利用改进的蒙特卡罗方法求解,获得动力响应的区间范围．通过悬臂梁算例,分析了热弹耦合效应对动力响应的影响,并针对结构的弹性模量和热膨胀系数区间范围增大的情况进行了比较和分析,得出这两参数以及结构变形大小是影响耦合效应的主要因素．     

基于FEM的水泥基压电复合材料的性能分析

建立了1-3型水泥基压电复合材料的有限元模型,并对其进行了静力分析、模态分析和瞬态动力学分析。得到了水泥基压电复合材料的内部应力应变分布、水泥基体对复合材料压电性能的影响、复合材料的厚度振动模态和在动态载荷下的响应情况。发现水泥基压电复合材料产生的驱动应变和节点应力都集中在压电陶瓷柱上,高泊松比和低弹性模量的水泥基体能够增加复合材料的压电性能;低频下水泥基压电复合材料的振动特性与压电陶瓷相同,且对外部的动态激励有着良好的线性响应。     

基于三维有限元分析的压电阻抗模型及其应用

为了校核高频电阻抗分析的现有结构理论和验证,基于高频电阻抗信号的结构损伤监测方法的有效性,提出可应用结构健康监测的精确压电阻抗有限元模型.考虑压电片-黏结层-主体结构三者的耦合作用和黏结层的影响,通过三维有限元谐响应分析方法,利用通用有限元软件ANSYS,建立由压电片-黏结层-主体结构组成的耦合系统的三维有限元模型,并进行了数值模拟和相应的实际模型试验.计算及研究结果表明：采用三维精细压电有限元模型,可精确地预测到电导纳谱中的共振模态,得到的结果与实验结果吻合,且能有效地校核高频电阻抗分析的现有结构理论;采用压电阻抗法能够很好地识别结构局部的细小损伤,通过合理布置压电片可以识别结构损伤的位置.     

高超声速机翼瞬态气动加热下热颤振分析

研究了一种气动力(热)/结构耦合的高超声速机翼热颤振的时域数值分析方法。研究目的是分析结构内部温度梯度对结构固有特性的影响机制和结构发生颤振的规律。采用非定常计算流体力学耦合结构传热的算法,获得结构的瞬态温度场;通过有限元计算得到瞬态温度场不同时刻下的热结构模态;利用结构模态叠加法建立结构动力学模型,结合Volterra级数建立的非定常气动力模型进行气动/结构耦合计算获得颤振动压。对马赫数为5、高度13 km的一小展弦比机翼进行了颤振分析。验证了该方法的可实现性。研究表明,随着温度梯度的增大结构固有频率减小,颤振动压最小值发生在结构主频率差值最小处。     

微型超声波电机定子振动特性有限元分析

利用有限元法对齿状环形行波型微超声波电机定子的振动特性进行了计算分析.建立了定子弹性体和压电体耦合的有限元模型,利用SOLID45单元将定子编制成ANSYS有限元软件的宏文件,以便于改变定子尺寸并自动生成相应的有限元模型;探讨了不同结构参数对压电定子动态性能的影响,得到了各结构参数对压电定子模态频率的影响曲线.研究结果表明,定子弹性体与压电体之间的胶粘层对定子模态频率的影响很小,在分析过程中可以忽略;定子的振动主要以弯曲模态为主,其振动频率随压电陶瓷和定子环厚度的增加而增大,随定子齿高、齿数和内径的增加而减小.     

基于耦合模态控制算法对空间结构主动控制的试验研究

模态空间控制方法是将系统方程转化到模态坐标下得到解耦的以模态坐标表示的方程组,根据一定的控制方法得到模态控制力从而实现了实时控制.本文通过对一个三层桁架结构进行了主动控制试验,介绍了耦合模态控制理论及其实现算法,阐述了压电主元杆件的工作原理,根据Riccati方程得到了主元杆件的最优布置.采用五点滑动平均平滑法进行了频谱分析,分析结果表明智能结构通过有效的主动控制可以对相应的模态响应进行有效的抑制.并使得模态阻尼系数得到不同程度的提高.     

ANSYS在压电智能板振动主动控制中的应用

利用ANSYS软件对粘贴有压电材料的智能板结构建立有限元模型,通过瞬态动力学分析(时间历程分析)并编写APDL(ansys parameter design language)程序实现了对智能板的振动控制仿真。首先定义程序所需要的荷载步,并利用每一荷载步下的节点应变作为反馈信号传给压电片,考虑到板是二维结构,其节点应变可用节点挠度的二阶差分来代替。仿真结果表明了该方法的合理性,为进一步研究智能结构振动主动控制奠定了良好的基础。     

基于有限元的齿轮传动系统动力修改研究

建立了考虑轮齿啮合刚度的斜齿轮传动系统弯-扭-轴-摆耦合振动有限元模型,阐述了基于有限元的动态特性灵敏度分析及结构动力修改方法.对斜齿轮传动系统耦合振动有限元模型进行了模态分析,在此基础上对系统进行了动态特性灵敏度分析,提出了一种改善动态特性的齿轮传动系统动力修改方法,为结构动力修改理论在工程实践中的应用作了有益的尝试.     

Design of and experiment on a bending hybrid ultrasonic motor with single driving foot

For the aim of miniaturization, this work chooses the third bending mode of beam as the piezoelectric actuator's vibration mode. By using the finite element method, the proposed motor is designed and analyzed. By modal analysis, the parameters of structure are designed. By harmonic analysis, the mechanic quality factor and electromechanical coupling factor of the proposed actuator are obtained. Based on theory and simulation, a prototype of the proposed piezoelectric actuator is fabricated. Impedance analyses are executed by the Agilent precision impedance analyzer. Mechanical output characteristics of the prototype are obtained experimentally. The maximal no-load velocity of the proposed motor is 735mm/s and the maximal output force is 1.1N.     

压电材料兰姆波方法在薄板损伤检测中的数值仿真

利用压电材料(PZT)对薄板结构中的裂纹进行损伤检测与定位,通过数值仿真说明了该方法的有效性.基于大型有限元软件ANSYS平台,利用其中的耦合场单元,建立了薄板与压电材料的耦合动力学模型.利用PZT的传感/作动功能在薄板中激发和接收Lamb波,对板中存在多种裂纹情况通过对Lamb波传播过程和检测的数值仿真进行了研究.通过时域分析法对裂纹存在下Lamb波传播进行分析,研究裂纹角度对PZT响应的影响,采用时间延迟法对裂纹进行损伤定位.     

压电智能桁架结构/控制系统的波动分析及优化设计

基于波动的观点，分析了压电智能桁架结构／控制系统的行波动力学模型，并从能量观点进行控制器设计。结构单元中传播的波在节点处反射、散射，考虑节点处的位移和力的边界条件，将局部波动模型合并成总体模型，并相应建立了结构／控制系统的一体化优化设计模型。数值算例的结果表明，该方法是可行的和有效的。     

基于实验模态分析的铣削加工系统动力学 特性参数测试与分析

获取加工系统模态参数是进行铣削加工过程动力学仿真的先决条件。利用实验模态分析技术对机床-刀具系统或机床-工件系统进行锤击实验,通过力传感器和压电式加速度计采集激励与响应信号,再通过傅里叶变换和频响函数估算的方法获得加工系统的频响函数,最后通过正交多项式参数拟合获得工艺系统的模态参数。动力学特性参数测试分析结果,可为铣削过程动力学仿真提供所必须的可信数据。     

压电智能梁力电耦合应力应变分析的智能样条有限点法

研究了压电智能梁力电耦合应力应变分析的新理论新方法.采用智能样条有限点法,从位移模式出发,以智能本构关系、瞬时变分原理以及样条离散化为基础建立了压电智能梁力电耦合性能分析的计算模式.针对不同边界情况和不同荷载形式进行分析,并与通用有限元软件AN-SYS的结果进行比较,结果表明本文方法简单有效,具有令人满意的精度.     

Application of Piezoelectric Materials in a Novel Linear Ultrasonic Motor based on Shear-induced Vibration Mode

A novel linear ultrasonic motor based on d15 effect of piezoelectric materials was presented. The design idea aimed at the direct utilization of the shear-induced vibration modes of piezoelectric material. Firstly, the inherent electromechanical coupling mechanism of piezoelectric material was investigated, and shear vibration modes of a piezoelectric shear block was specially designed. A driving point's elliptical trajectory induced by shear vibration modes was discussed. Then a dynamic model for the piezoelectric shear stator was established with finite element(FE) method to conduct the parametric optimal design. Finally, a prototype based on d15 converse piezoelectric effect is manufactured, and the modal experiment of piezoelectric stator was conducted with laser doppler vibrometer. The experimental results show that the calculated shear-induced vibration modes can be excited completely, and the new linear ultrasonic motor reaches a speed 118 mm/s at noload, and maximal thrust 12.8 N.     

基于AGA的智能桁架结构模糊振动控制

应用一种根据适应度自动调整选择交叉概率和变异概率的自适应遗传算法(Adaptive Genetic Algorithm,简称AGA),来优化智能桁架结构模糊控制系统。首先,考虑到压电主动杆的机电耦合特性,建立系统的有限元动力方程;其次,以智能桁架结构的主动杆轴向位移差为优化目标,使用自适应遗传算法优化模糊控制规则,以增强智能桁架结构模糊控制器的振动控制效果;利用Matlab/Simulink建立空间智能桁架结构的仿真模型,对模糊规则优化前后的控制结果进行对比。仿真结果表明:使用自适应遗传算法优化后的模糊控制器,能够加快智能桁架振动衰减速度,并且有效消除模糊控制的稳态误差。     

直驱气浮平台工作模态的分析方法及实验验证

直驱气浮平台是集气浮支承、伺服驱动及机械结构为一体的精密运动系统,它具有较复杂的振动性能,一般通过模态分析得到机械结构的振动性能,但在工程应用中,我们更需要获得驱动作用下平台工作时的振动性能。为简单、快捷、准确地分析平台工作状态的振动性能,本文提出一种机电耦合的振动分析方法,即将驱动系统的伺服特性和气浮支承的气膜特性均等效成弹簧阻尼单元,建立机电耦合仿真模型,基于该模型分析得到平台工作状态下的振动模态。为验证该方法,采用LMS模态测试仪对平台进行模态测试,试验结果同仿真结果较一致,基于此方法分析计算得到的振动模态最大偏差为8.16%;模态实验表明所提出的机电耦合模态分析方法可以准确地分析平台工作状态的振动特性。