主动约束层阻尼板的振动控制研究

研究局部附加主动约束层阻尼（active constrained layer damping,ACLD）结构板的振动控制问题。基于Hamilton原理,提出一种新的建立主动约束导板动力学模型的方法,同时给出一种用于确定粘弹材料GHM（Golla-Hughes-Mctavish）模型参数的优化问题。采用GHM方法描述弹性材料的本构关系,将粘弹性材料的动力特性描述与工程上最常用的有限元分析结合起来,推导得到ACLD结构的动力学方程为标准二阶定常线性系统方程。应用LQR控制理论进行结构振动控制仿真,结果表明,本文给出的新建模方法是准确可靠的,ACLD结构能够有效抑制结构振动。     

约束层阻尼板的有限元建模研究

粘弹性材料（VEM）的本构关系随频率和温度的变化而变化,对粘弹结构难以进行动特性分析及控制研究。基于Hamilton原理,给出了一种建立约束层阻尼（CLD）板动力学方程的新建模方法,建模时,考虑到VEM的纵向位移影响,并引入虚拟自由度,导出了标准二阶定常线性系统模型,从而避免因粘弹性材料导致的高阶非线性方程。采用GHM方法描述VEM的本构关系,它能直接与有限元法融合。算例分析了夹芯层为ZN—1型粘弹性材料的CLD悬臂板的动态特性,并与相关文献中的计算及试验结果进行比较,计算结果更加准确,表明新建模方法是准确的。     

阻尼层厚度对复合材料夹芯板自由振动的影响

由于夹芯层的高阻尼结构,复合材料夹芯板结构具有较好的减振降噪的作用,因此在高端科技中得到大量的应用。基于经典板理论推导了复合材料夹芯板的振动平衡方程,首先通过实例验证了所推导的平衡方程的正确性,其次分两种情况研究了阻尼层厚度对复合材料夹芯板的自由振动的影响,结果表明:弹性层不变和总厚度不变两种情况下,随着阻尼层厚度的增大,前四阶固有频率逐渐降低,损耗因子值逐渐增大,并且后一种情况下更易获得较大的损耗因子值。     

具有主、被动约束层阻尼的拉压型结构研究

粘弹性材料已广泛用于阻尼结构的弯曲振动。具有主动与被动相结合的约束层 阻尼技术研究目前也多集中于梁、板等结构的弯曲振动,而主、被动约束层阻尼拉压 型结构则很少研究。本文给出了一种主、被动约束层阻尼拉压型结构模型,推导了一 些数学表达式,给出了优化设计方法及分析结果。     

部分覆盖压电约束层阻尼板的建模与控制特性分析

仅考虑逆压电效应,由压电材料的本构关系求出了约束层的膜内力。采用速度反馈控制策略,并结合约束层的膜内力和薄板控制方程,导出了压电约束层阻尼矩形板在频域内的整合一阶常微分矩阵方程。在此基础上,结合精细元法和叠加原理提出了一种分析部分覆盖压电约束层阻尼层合板振动和阻尼特性的半解析方法。通过与文献值的比较,证明了方法的有效性。还讨论了结构和控制参数对部分覆盖压电约束层阻尼层合板动力学特性的影响。     

约束阻尼板的主被动一体化振动控制

基于虚功原理,提出了一种新的建立主动约束阻尼板动力学模型的方法。该方法采用层合理论推导出约束阻尼板结构的动力方程,用GHM(Golla Hughes McTavish)方法引入辅助的耗散坐标,来描述粘弹性材料随频率变化的特性,并采用LQR方法控制结构的振动。其有效性通过算例进行了验证。同传统的有限元建模理论比较,采用层合理论,减少了结构自由度,并且具有良好的计算精度。     

层间过渡约束阻尼梁有限元建模与振动-阻尼特性分析

三层约束阻尼结构常被用于工程结构的减振降噪设计中,为了增加其抗振性能,可在黏弹层和基层中间加入一层"过渡层",从而构成一种新的层间过渡约束阻尼结构。基于一阶剪切变形理论和哈密顿原理建立有限元模型,对该结构进行相应的振动和阻尼特性分析。为验证该模型正确性,与解析解进行对比,二者计算结果吻合良好。以悬臂阻尼梁为例,与传统的约束阻尼梁进行对比,计算结果表明增加"过渡层"可以增大结构的损耗因子,进而提高减振耗能效果。同时还讨论了过渡层的材料如何选择以及其参数对系统的固有频率和损耗因子的影响,为进一步的优化工作及实际工程应用提供了一定的参考。     

考虑层间变形的约束阻尼圆柱壳振动特性分析

在约束阻尼减振结构中,中间的黏弹性层主要依靠基体及约束层的交错运动产生剪切变形而消耗能量,因而这种层间变形关系需要被有效引入以提升建模精度,为此采用有限元法对局部贴敷约束阻尼层圆柱壳进行了动力学建模方法研究。首先,基于Donnell''s薄壳理论,在考虑各层之间变形关系的基础上,推导了复合单元的刚度及质量矩阵;其次,构造了一种过渡单元来连接复合壳单元和仅有基体的单层单元,实现了局部贴敷约束阻尼层圆柱壳总刚度及总质量矩阵的有效组集;然后,在考虑复合圆柱壳弹性约束边界条件的基础上,确定了复合壳的运动方程,并给出了求解振动特性的公式;最后,进行了实例研究,通过与实验和ANSYS仿真结果的对比,验证了所提有限元模型的正确性,并进一步分析了约束层、阻尼层厚度变化对复合圆柱壳振动和阻尼特性的影响。     

含主动约束阻尼悬臂梁两种减振机理的模拟

以部分贴敷主动约束阻尼（active constrained layer damping,简称ACLD）悬臂梁为对象,研究了其所包含的两种减振机理的模拟方法。首先,通过分析ACLD结构的受力及变形,描述了ACLD减振中所包含的黏弹性层剪切耗能和压电层反相阻滞作用两种减振机理;其次,将黏弹性剪切变形体现在形函数中,再结合压电方程与力学公式推导出压电阻滞力,创建了包含两种减振机理的ACLD处理复合梁的动力学模型;最后,通过组建的ACLD悬臂梁减振实验系统对仿真分析结果进行了验证,同时对比分析了仅包含被动约束阻尼或压电反相阻滞单一减振机制以及ACLD处理时复合梁的时域响应。结果表明：仿真计算与实验值的最大偏差为18.6%,证明了所创建的包含两种减振机理分析模型的合理性;ACLD由于同时包含两种减振机理,其减振效果要优于单一的振动控制方法。     

主动约束层阻尼板结构动力学建模

基于板壳理论、压电理论和粘弹性理论,对由基板层、粘弹阻尼层和压电约束层组成的3层复合主动约束层阻尼板结构的动力学建模进行了研究.在对主动约束层阻尼(active constrained layer damping,简称ACLD)板结构进行有限元划分的基础上,建立7自由度平面矩形ACLD板单元,利用拉格朗日方法建立结构动力学方程.建模过程中利用GHM方法描述粘弹性材料(viscoelastic material,简称VEM)的本构关系,与有限元法结合并极大简化粘弹结构的力学建模问题.对经典算例的计算与仿真表明,提出的建模方法是准确的,ACLD结构能够有效增加粘弹阻尼层的剪切变形,增大振动能量耗散,控制结构振动.     

用形状记忆合金弹簧主动控制转子振动

选择形状记忆合金（shape memory alloy,SMA）制作的弹簧元件作为转子系统的弹性支承，研究对转子振动的主动控制。利用SMA近似的应力－应变－温度的多项式模型，推导出SMA弹簧的非线性恢复力模型。运用简化的势和学模型，建立SMA弹簧的温度控制系统，以电流加热的方法改变SMA的温度。在数值仿真中，设计了给定温度曲线，计算出电流功率，并验证了改进后系统的振动抑制效果。仿真结果表明该方法能将转子最大振幅减少30％以上。     

STRUCTURAL HEALTH MONITORING IN COMPOSITE MATERIALS USING EMBEDDED SHAPE MEMORY ALLOY（SMA） WIRE SENSORS

Shape memory alloy (SMA) materials possess completely superelasticity or pseudoelasticity above the austenite finish temperature and many unique mechanical, thermal, thermal-mechanical and electrical properties compared with other conventional materials. Many studies have reported that the superelastic and hysteresis properties of the SMA materials can absorb energies coming from external excitations or sudden impacts. In addition, due to the special electrical properties of NiTi superelastic wires, they can also be used as strain-sensing element to monitor structural health conditions. Composite laminated specimens embedded with SMA wire sensors are fabricated and detailed testing system is designed such as multi-parameters measuring for impact and weak signal processing for SMA sensor. Low velocity impact test shows that SMA wire sensors embedded in fiber-reinforced plastic (FRP) laminate can be well used to monitor impact responses, such as the location of impact damage, impact degree, and strain distribution. Experimental results and theoretical predictions reveal almost the same. Comparing with other method, a simple, economic and reliable technique method monitoring important engineering structures on line is provided.     

转子系统中形状记忆合金的非线性性能分析

选择形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)制作的弹簧元件作为转子系统的弹性支承,研究对转子振动的主动控制。采用电流加热控制记忆合金元件的相变,进而控制转子的振动。讨论了记忆合金因受热而引起的热应力和热弹性的非线性耦合问题,用摄动法对非线性方程进行求解,避免直接假设线性化所引起的误差,提高了解的精度。仿真结果表明数值计算解与理论解符合的良好。     

VIBRATION CONTROL OF FLUID- FILLED PRISMATIC SHELL WITH ACTIVE CONSTRAINED LAYER DAMPING TREATMENTS

Active constrained layer damping （ACLD） combines the simplicity and reliability of passive damping with the light weight and high efficiency of active actuators to obtain high damping over a wide frequency band. A fluid-filled prismatic shell is set up to investigate the validity and efficiency of ACLD treatments in the case of fluid-structure interaction. By using state subspace identification method, modal parameters of the ACLD system are identified and a state space model is established subsequently for the design of active control laws. Experiments are conducted to the fluid-filled prismatic shell subjected to random and impulse excitation, respectively, For comparison, the shell model without fluid interaction is experimented as well. Experimental results have shown that the ACLD treatments can suppress vibration of the fluid-free and fluid-filled prismatic shell effectively. Under the same control gain, vibration attenuation is almost the same in both cases.     

切割对磁约束阻尼处理固支板的振动特性的影响

在约束层根部设置引力排列的磁体,阻尼层的剪应变将大于传统约束阻尼处理(passive constrained layer damping treatment, PCLD)的剪应变,因此,采用磁约束阻尼处理(magnetic constrained layer damping treatment, MCLD)可使系统的阻尼得到显著地改善.文中应用假设模态法研究工程中常见的两边固支约束阻尼板的磁约束处理减振效果, 推导出由板的横向模态坐标表示的特征方程.通过考察固支板的第一阶扭转模态(m=1,n=1)的损耗因子,研究将阻尼层等分切割为总的尺寸不变的两块阻尼层的阻尼变化情况.分析表明,在覆盖面积相同时,将阻尼块沿x方向等分为2块,将每块放置在板的宽度方向的边部,并沿模态节线y=W/2对称,可使MCLD获得更好的阻尼改进效果.     

含形状记忆合金(SMA)层柔性梁的振动频响特性

主要研究具有形状记忆合金（shape memory alloy,SMA）层的梁结构的动力响应特性，重点分析了应力诱发马氏体相变的影响。首先采用SMA超弹性分段线性的应力－应变模型表示SMA的超弹性本构特征；其次借助有关粘弹性材料结构动力学分析的复模量方法，推出简谐激励作用下SMA层的面内变形和应力之间的关系，提出具有SMA表层的简支梁横向稳态频率响应求解的数学模型。SMA超弹性非线性的影响使得结构产生复杂的动力学特征，如存在多值稳态解、跳跃性、周期3响应等。上述现象的发生与激振力幅值、温度的变化密切相关。     

被动约束层阻尼梁动力学优化研究

研究被动约束层阻尼(passive constrained layer damping,PCLD)梁的动力学优化问题,优化变量为PCLD的起始位置、覆盖长度、阻尼层厚度和约束层厚度。在局部覆盖PCLD梁动力学特性的传递函数解的基础上,建立PCLD梁的单目标和多目标优化模型。单目标优化中以结构模态损耗因子最大为优化目标,讨论约束条件中PCLD附加结构质量系数对优化结果的影响。多目标优化中以各阶模态损耗因子最大、各阶固有频率改变量最小和PCLD附加的结构质量最小为优化目标,增加约束层纵振频率的约束条件,讨论优化目标函数中各权重系数对优化结果的影响。此外,还在有限元软件MSC.Patran/Nastran中二次开发出PCLD梁动力学优化模块。两种方法的优化结果一致,验证本文计算结果的正确性。     

用于柔性机械手的形状记忆合金驱动器滑模控制研究

提出了一种新型结构形式的形状记忆合金驱动器——内嵌式形状记忆合金驱动器。该驱动器将U形回复形状记忆合金丝嵌入弹性硅胶棒内，通过温控方式实现驱动器的往复可逆弯曲运动，对外稳定输出力和位移。研究了驱动器运行机理，探讨了基于形状记忆合金电阻反馈的变结构滑模控制策略，进行了仿真和实验研究。