压电智能结构冲击荷载谱的反演方法

基于对智能层合板结构的模态分析，提出由结构的压电模态响应反演瞬态荷载时间历程的有限元方法。介绍了压电模态传感器的实现原理，并给出了由实测压电单元输出得到结构模态响应的计算公式。采用无条件稳定的精细逐步积分法求解结构的模态动力学微分方程，构造了通过结构的模态响应直接反求荷载列阵的迭代算法。该方法迭代过程简单可靠、计算速度快、识别精度高，适用于任意形状和边界条件的复杂智能结构。实例表明了该方法的可行性。     

压电智能结构冲击荷载有限元逆向求解方法

基于压电智能结构有限元动力方程,提出冲击荷载的逆向求解方法：采用最小二乘优化算法,通过后向迭代逆运算及前向迭代运算,使目标值与实测值最小方差不断收敛,完成对未知冲击荷载大小与作用位置识别。建立简支压电智能薄板有限元数值模型,算例结果表明该方法精度可满足工程计算要求,适用于形状、边界条件较复杂的智能结构冲击荷载识别。     

压电智能结构振动主动控制传感器/驱动器的位置优化设计

应用ANSYS软件对压电智能结构建模,并计算其模态圆频率。采用D优化设计准则,并对该准则进行简化,用一种简单的方法将所选择的低阶模态振型转化为归一化形式,最后,仅用结构模态振型就可确定压电元件的最优位置,有效的避免了布置的随机性。考虑到粘贴压电元件对主体结构动力学特性的影响,该文采用线性二次型高斯(LQG)最优控制方法,设计Kalman滤波器,对模型过程噪声和量测噪声进行过滤。最后,该文以压电智能悬臂梁为例给出了系统的阶跃响应曲线,验证了此方法的有效性。     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。     

基于能量的大跨屋盖结构共振响应模态耦合效应分析

提出一种简单判别共振响应模态耦合效应的分析方法,该方法综合考虑结构的动力特性和风荷载特性,定义了共振响应模态耦合系数。依据该系数,通过几个特征参数(如结构模态和风荷载信息)就可以快捷的判断模态间共振响应耦合效应强弱,实现对共振响应耦合主导模态的选取。在此基础上,给出了大跨屋盖结构考虑模态间耦合效应的共振响应实用组合方法。最后,将该方法用于国家体育场屋盖结构风致动力响应分析,验证了其有效性。     

压电智能结构的一种模态控制新方法

提出了一个用于压电智能结构振动控制的模态控制方法。就智能梁给出了压电模态传感器与压电模态致动器的新设计方法以及相应的模态控制方法，并对相应的观测溢出与控制溢出问题进行了分析，给出了抑制这些溢出的措施。     

压电智能结构振动控制中执行元件最优位置的选择

采用模态分析及控制理论,确定了定量度量模态对贮存在结构中能量积分贡献的方法。利用奇异值分解技术确定了定量度量模态可控程度的方法。以压电智能结构振动控制效果为目标,将两个度量指标加权结合,构造了一种新的度量压电智能结构可控程度的指标,并以此为选择压电执行元件最优位置的依据。最后给出数值示例说明文中方法的有效性     

基于等几何方法的压电功能梯度板动力学及主动振动控制分析

针对表面粘贴有压电层的功能梯度板的动力学及主动振动控制问题，建立了一种基于三阶剪切变形理论的等几何分析求解方法。其中，功能梯度板的材料属性为板厚方向的幂函数分布，并假设电势沿着压电层的厚度方向呈线性变化。利用线性压电本构方程以及哈密顿变分原理，推导了压电功能梯度板的相关等几何分析有限元方程。通过分析压电智能结构的静态弯曲行为验证了该方法的有效性与精确性。运用模态叠加技术与Newmark-β直接积分法分析了两种不同结构的压电功能梯度板的动力学响应与主动振动控制问题。在主动振动控制分析中，引入了物理中面的概念避免当传感器与驱动器分别粘贴于功能梯度的上、下表面时，由拉伸-耦合效应引起的控制不稳定的问题，并着重分析了振动控制过程中两种结构传感器层和驱动器层的电压响应。     

随机参数智能桁架结构振动控制中主动杆的优化配置

该文研究压电智能桁架结构振动主动控制中结构物理参数，作用荷载和控制力同时具有随机性时，压电主动杆的最优配置和增益优化问题，采用智能结构的状态空间模型建立了以最大耗散能准则来基础的目标函数，建立了具有动应力，动位移可靠约束的主动杆的优化配置和增益优化模型，对结构动力响应的数字特征进行了推导，并通过一智能桁架结构的优化配置计算，说明该优化配置模型的合理性和有效性。     

扰流激励下垂尾抖振响应主模态控制风洞试验研究

摘 要：采用压电结构的热弹比拟建模方法,进行了垂尾模型一弯模态和一扭模态响应的压电主动控制仿真。设计制作了一个垂尾气动弹性抖振模型以及两种形式的气流干扰源,用于在风洞中进行垂尾抖振实验及产生扰流对垂尾模型实施抖振激励。采用自主研发的弓形压电作动器,根据垂尾抖振响应控制的主模态控制思想,设计了垂尾模型抖振压电主动控制系统,进行了垂尾模型抖振响应压电主动控制风洞实验。结果表明,采用抖振主模态响应控制思想设计的垂尾抖振压电主动控制系统,可使垂尾模型抖振响应功率谱密度函数峰值降低50%以上。     

机电耦合载荷下的压电层合板瞬态响应分析

针对压电层合板在机电耦合激振下的瞬态响应问题, 提出一种高效混合数值计算方法。经过位移场、 电势场在厚度方向的离散, 利用机电耦合理论和哈密顿原理, 推导出结构的运动方程。引入傅里叶变换, 得到波数域内运动控制方程。应用模态分析方法求解波数域内的位移场和电势场, 对结果进行傅里叶逆变换, 得到空间域内的瞬态响应。以PZT-5A/0° PVDF铺层两相材料复合压电层合板为算例, 分析了力、 电耦合线载荷激励下, 位移场和电势场的瞬态响应历程与分布规律, 计算结果给出了该结构的动力学基本特征。该方法结合了有限元法、 傅里叶变换和模态分析法, 计算高频载荷激振下的压电层合板瞬态响应较一般有限元法大幅减少了单元的划分。该方法可推广至分析任意机电载荷下的各类铺层材料压电层合板瞬态响应问题。      

动载荷时域半解析识别方法

基于模态空间转换、离散数据最小二乘拟合与模态叠加原理,提出一种动载荷时域半解析识别方法。通过模态空间转化将动载荷识别问题转化为模态坐标函数识别问题,以结构特性参数与已知自由度上的动响应为输入,利用最小二乘拟合得到模态坐标的拟合函数,根据叠加原理与结构动力学控制方程,识别出结构时域动载荷。分别用计算仿真与试验测试得到的时域加速度响应作为输入,实现时域动载荷的识别。识别结果与真实动载荷对比表明,本文的识别方法能较准确地识别结构动载荷值及载荷作用部位。     

Active control of functionally graded laminated cylindrical shells

An analytical method on active vibration control of smart FG laminated cylindrical shells with thin piezoelectric layers is presented based on Hamilton’s principle. The thin piezoelectric layers embedded on inner and outer surfaces of the smart FG laminated cylindrical shell act as distributed sensor and actuator, which are used to control vibration of the smart FG laminated cylindrical shell under thermal and mechanical loads. Here, the modal analysis technique and Newmark’s integration method are used to calculate the dynamic response of the smart FG laminated cylindrical shell with thin piezoelectric layers. Constant-gain negative velocity feedback approach is used for active vibration control with the structures subjected to impact, step and harmonic excitations. The influences of different piezoelectric materials (PZT-4, BaTiO₃ and PZT-5A) and various loading forms on the active vibration control are described in the numerical results.     

Response and control of functionally graded laminated piezoelectric shells under thermal shock and moving loadings

Based on the first-order shear deformation theory (FSDT), approximate solution for FG (functionally graded) laminated piezoelectric cylindrical shells under thermal shock and moving mechanical loads is given utilizing Hamilton’s principle. The thin piezoelectric layers embedded on inner and outer surfaces of the functionally graded layer are acted as distributed sensor and actuator to control dynamic characteristics of the FG laminated cylindrical shells. Here, the modal analysis technique and Newmark’s integration method are used to calculate the dynamic response of FG laminated cylindrical shells. Constant-gain negative velocity feedback approach is used for active vibration control. The active vibration control to a single moving concentrated loading, thermal shock loading and a continuous stream of moving concentrated loadings is, respectively, investigated. Results indicate that the control gain and velocity of moving loadings have significant effects on the dynamic response and resonance of the system.     

体育场主看台弧形挑篷风振响应分析的极坐标法

根据体育场主看台弧形挑篷的风荷载和振型函数特点,提出并建立了极坐标下计算主看台弧形挑篷风致振动响应的方法。以一实际体育场主看台弧形挑篷为例,根据风洞试验获得的该结构挑篷的非定常风压,用ANY SY时程方法、CQC频域方法和本文方法计算了其风振响应。结果表明,本文方法有足够的工程精度,比在直角坐标下描述荷载分布特性和响应特性有优势。     

多个移动车辆作用下简支梁的动力响应分析

将简支梁桥简化为欧拉-伯努利梁模型,考虑四自由度车辆移动系统与结构表面接触处不平顺产生的随机激励,建立了多个移动车辆振动系统与梁的耦合动力效应模型。在数值算例中,计算了不同模态截断阶数情况下由动力效应产生的挠曲线;讨论了移动速度变化时,在梁上作用不同荷载组合情况下冲击系数的变化规律;并讨论了跨径变化时冲击系数的变化规律;最后比较了在不同等级平整度情况下梁的动弯矩、动剪力的结果。     

复杂工况下的大型风力机气动弹性响应和尾迹数值分析研究

在复杂工况下,大型风力机受到载荷更加严重,导致风力机气动和结构耦合响应问题更加明显。本文主要针对稳态偏航、动态偏航、风剪切和随机风速场等复杂工况,采用非定常自由涡尾迹方法计算尾迹形状和气动载荷,加入了复杂工况的模型,进行了动态失速模型和三维旋转效应模型修正。在考虑气动载荷、惯性载荷和重力载荷影响下,采用有限元法结合模态法建立起风力机解耦动力学方程,并且通过Newmark方法进行数值求解该方程。实现了复杂工况数值模拟计算,比较不同复杂工况的气动弹性响应结果。最后,得出大型风力机在复杂工况下的气动性能、载荷、动态响应和尾迹叶尖涡线特性,并计算出风力机在复杂工况下的迟滞时间。这为推进自由涡尾迹方法应用于大批工况载荷计算,以及提高大型风力机载荷计算精度和设计水平等具有重要意义。     

Data based model free hysteresis identification for a nonlinear structure

In the last two decades, the damage detection for civil engineering structures has been widely treated as a modal analysis problem and most of the currently available vibration-based system identification approaches are based on modal parameters, namely the natural frequencies, mode shapes and damping ratios, and/or their derivations, which are suitable for linear systems. Nonlinearity is generic in engineering structures. For example, the initiation and development of cracks in civil engineering structures as typical structural damages are nonlinear process. One of the major challenges in damage detection, early warning and damage prognosis is to obtain reasonably accurate identification of nonlinear performance such as hysteresis which is the direct indicator of damage initiation and development under dynamic excitations. In this study, a general data-based identification approach for hysteretic performance in form of nonlinear restoring force using structural dynamic responses and complete and incomplete excitation measurement time series was proposed and validated with a 4-story frame structure equipped with smart devices of magneto-rheological (MR) damper to simulate nonlinear performance. Firstly, as an optimization method, the least-squares technique was employed to identify the system matrices of an equivalent linear system of the nonlinear structure model basing on the excitation force and the corresponding vibration measurements with impact test when complete and incomplete excitations; and secondly, the nonlinear restoring force of the structure was identified and compared with the test measurements finally. Results show that the proposed data-based approach is capable of identifying the nonlinear behavior of engineering structures and can be employed to evaluate the damage initiation and development of different structure under dynamic loads.     

空间范数在压电柔性结构振动控制中的应用研究

在空间范数定义的基础上,推导出了结构模态空间范数的计算公式。考虑压电柔性结构振动控制中作动器分布对结构建模与控制性能的影响,利用模态空间范数度量各个模态对结构动力响应的贡献,并对结构进行了模态选择与模型降阶。利用所建立的降阶模型,设计了一个对受外部干扰结构进行振动抑制的动态输出反馈]]>;