点式压电智能柔性板的振动主动控制的建模与仿真

基于有压电电层的层合板结构的二维传动方程与二维传感方程,导出了粘贴有点压电传感器与执行器的智能板结构的有限元模型的模态振动控制方程与传感方程。由此模态－状态方程,利用线性二次优化方法得到了智能板结构的最优控制输入。     

自感知压电层合梁的数值分析与数值模拟

从压电本构方程出发,借助Hamilton原理建立了压电层合结构的有限元方程,基于此理论,对一五层的压电梁运用ANSYS参数化设计语言(APDL)建模,采用二维四结点四边形耦合单元,分析了梁与压电层的几何参数对传感与致动性能的影响,比较了不同边界条件下梁的变形变化。得出的一些有效结论,对多层智能结构的设计具有一定的参考价值。     

《压电层合板的振动主动控制》

利用一阶剪切变形理论推导压电层合板的抗弯刚度,由Hamilton变分原理建立压电层合板的有限元模型,采用模态叠加方法对有限元模型降阶。在应变最大处配置制动器和传感器,并采用二次线性控制的独立模态空间控制法来进行板结构的主动控制。数值算例验证了这种力学建模方法和控制方法的有效性。     

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。     

内嵌倾斜压电柱复合材料板的压电振动特性分析

针对1-3型内嵌倾斜压电柱复合板结构,建立压电复合板结构的有限元模型,并推导出变形关系和形函数;应用拉格朗日方程,建立了单元结构的运动方程。针对不同倾斜角度压电柱复合板进行有限元仿真分析,研究了复合压电板的正压电特性,并对复合压电板的能量损耗因子进行分析。研究结果表明：在相同压力下,压电柱的倾斜角度对复合板的弯曲模态频率影响较大。随着压电柱体倾斜角度的增大,模态频率降低,弯曲变形增大;同时,倾斜柱体棱长变长,产生电压增大。悬臂板在压力作用下,沿宽度方向产生反对称电势。在压电陶瓷柱的倾角达到57时,损耗因子达到最大。采用内嵌式倾斜压电柱复合板结构,降低了压电板的脆性,保证大尺寸压电板的结构均匀性和应用。     

压电智能板结构的鲁棒非脆弱H∞振动控制

研究了压电智能板结构的非脆弱H∞鲁棒振动控制问题,在导出其有限元运动微分方程后,对其进行解耦,在状态空间中利用最小实现和平衡降阶法对其进行降阶处理.考虑其被控模态参数的不确定性,建立了模态参数不确定性模型.基于线性矩阵不等式(LMI)方法,设计鲁棒非脆弱H∞状态反馈控制器.以智能悬臂板结构为例表明了该方法的有效性.     

压电薄膜微传感器振动模态的仿真分析

以压电本构方程为基础，建立了压电薄膜微传感器机电耦合的有限元模型，采用有限元分析软件ANSYS7．0对压电薄膜微传感器进行了模态分析，同时分析了压电薄膜微传感器的结构尺寸对振动模态的影响，探讨了影响压电薄膜微传感器工作稳定性和响应速度的关键因素，结果表明为了提高压电薄膜微传感器的工作稳定性和响应速度，应该在符合工艺要求和保证其它特性的前提下，尽量减小微悬臂梁结构长度，增加多晶硅层厚度，限制PZT层厚度，而微悬臂梁宽度的影响较小。     

用压电元件实现复合材料层合板振动控制的数值分析

采用板的一阶剪切变形理论，对含有压电材料层的复合材料层合板，从机电耦合的变分方程及Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理出发，建立起求解其动态响应 的有限元方程。同时也给出了压电材料层作为传感元件时的传感方程及作为作动元件时的作动方程。并采用速度反馈控制实现了层合板的主动振动。最后给出了计算实例。     

智能板动荷载监测的压电单元模态法

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反求荷载列阵的迭代算法。该方法作为动态激励的压电模态响应易于实时监测,迭代过程简单可靠、计算速度快、识别精度较高,适用于任意形状和边界条件的复杂型智能结构。实例表明了该方法的可行性。     

一种基于Layerwise理论的压电复合材料层合圆柱壳机电耦合有限单元

基于Reddy的Layerwise理论,对含压电铺层的复合材料层合壳的静力响应特性进行了理论研究。基于Layerwise理论,推导了含压电层的复合材料层合壳的应变分量与电场强度表达式。利用Hamilton原理和变分法,推导了压电智能层合壳的欧拉-拉格朗日方程,并采用有限元解法,建立了相应的有限元控制方程及其机电耦合刚度矩阵。通过算例结果与文献中的精确解和试验值进行了对比,表明相较于传统的经典层合板壳理论,本文理论方法的有效性和优势性;并分析了径厚比等参量对两端简支压电智能层合壳静力响应值的影响规律。      

压电智能悬臂梁模糊振动抑制研究

为了实现对压电智能结构此类复杂机电耦合系统的主动振动控制仿真,建立了智能结构的机电耦合动力学有限元模型,并推导和简化了模型的动力学方程与压电传感方程,建立了系统的状态空间模型,设计了模糊逻辑控制器。基于模糊逻辑理论,划分了两种不同级别的模糊集合,确定了模糊集合语言变量值,设计了4种不同的模糊控制规则,并采用重心法作为逆模糊化方法。分别模拟了智能结构的自由振动、在脉冲干扰下的振动以及在谐波干扰下的振动,比较了模糊控制器、PID控制器、LQR控制器在3种不同类型的振动方式下对智能结构的振动控制效果。     

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。     

绝对节点坐标法中压电层合板的大变形研究

压电层合板可以通过对作动器施加电压变形为各种形态,在智能可折叠结构领域具有潜在的应用前景。理解这种结构的大变形作动机理是软体智能结构设计的基础。利用等效单层模型,基于绝对节点坐标法（ANCF）,建立了一种柔性压电层合薄板单元。引入了压电材料的本构方程来推导弹性力和压电力,建立了压电层合薄板单元的动力学方程,并对比了在大变形范围内三种曲率表达形式的收敛效果。通过与 ABAQUS 有限元软件求得的结果进行比较,验证了压电层合薄板单元的正确性,并给出了一些大变形算例。结果表明,在压电材料全覆盖、部分覆盖、多段覆盖等情形下,该单元均能得到较为稳定的结果,表明此单元可以与单层线弹性单元进行耦合。此外还研究了压电层合板受集中力状态下的动态响应。该研究有助于理解受智能压电材料驱动的柔性或软体结构的复杂耦合非线性力学行为。     

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。     

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。     

蜂窝夹层板结构中导波的传播特性及其脱粘损伤的检测

利用有限元模型研究了蜂窝夹层板结构中导波的传播特性,并进行了蜂窝夹层板结构中蒙皮与蜂窝芯脱粘损伤检测的实验研究。建立了基于实际蜂窝夹层板结构的有限元模型,利用COMSOL Multiphysics软件模拟了导波在完好结构和含有脱粘损伤结构中的传播规律。结果表明,导波在蜂窝夹层板中传播时具有频散和多模态特性,可通过频散关系确定导波的各阶模态,且A_0模态对脱粘损伤最敏感。采用压电片作为激励源,选取窄带脉冲作为激励信号激发导波,利用Polytec激光测振仪采集蜂窝夹层板中的导波信号。对信号进行小波变换,提取A_0模态的幅值,并在此基础上通过损伤概率算法定位脱粘损伤的位置。结果表明,A_0模态幅值可作为损伤检测的参数,且重构的脱粘损伤与实际的脱粘损伤位置吻合较好。     

基于BP神经网络的压电智能结构振动系统辨识

针对神经网络在压电智能结构振动控制中的关键问题之一——系统模型的神经网络辨识,用引入时延的多层前馈BP神经网络串一并联型结构对表面粘贴压电片的柔性悬臂梁进行非线性动态系统模型辨识。考虑压电片对梁的质量和刚度矩阵的影响和实验提取数据的繁琐问题,用有限元分析软件ANSYS对智能梁进行模态和瞬态响应分析,利用获取的系统动力响应时间序列对神经网络进行离线训练,通过MATLAB神经网络工具箱对算例进行仿真显示。     

压电层合板高阶计算模型

压电复合(层合)结构可应用于结构振动控制、形状保持、健康监测等,建立压电层合结构精确的机电耦合计算模型成为了研究的焦点.针对表面粘贴或内部嵌入压电片的压电层合板结构,基于高阶位移场和高阶电势模型,根据Hamilton原理建立了机电耦合高阶有限元模型.该模型适用于薄板和中厚板,并且能够捕捉压电层内沿厚度方向呈抛物线型分布的诱导电势.以压电双晶片简支板为例,进行了作动器构型和开环、闭环状态传感器构型的数值分析.结果指出,诱导电势对压电传感器有重要影响,而压电作动器可忽略这种电势.     

压电智能结构有限元动力模型及其振动主动控制的研究

推导了压电智能结构的有限元动力方程;应用模态控制理论对结构振动主动控制的原理和策略进行了讨论,利用两种反馈控制律研究了智能结构振动抑制的问题,最后应用本文方法对一新型2—DOF平面并联压电智能杆机构进行了振动主动控制实验研究,结果表明系统的稳定时间从抑振前的488ms缩短到了抑振后的115ms,验证了本文方法的有效性。     

复合材料层合板的声辐射模态幅值分析

低频时, 控制振动结构第一阶声辐射模态伴随系数可有效控制总声功率。通过分层有限元模型可以求解层合板的位移模式。对层合板的固有频率和动态响应进行了理论推导。结合声辐射模态理论, 研究了层合板铺设角度、 弹性模量比、 跨厚比以及阻尼比等结构参数对层合板结构第一阶声辐射模态伴随系数的影响。计算结果表明, 分层理论结合有限元方法可以较准确地计算层合板固有频率, 而且铺设角度和跨厚比对层合板结构声辐射模态影响较大。