压电复合梁高阶有限元模型与主动振动控制研究

大型柔性空间结构的振动控制问题引起了广泛的关注.压电材料以其低质量、宽频带和适应性强等特点,非常适合于柔性空间结构的振动控制.本文针对上下表面粘贴有分布式压电传感器和作动器的智能层梁结构,提出了一种考虑压电材料对结构质量、刚度影响的高阶有限元模型.考虑到空间结构可能承受较大的热载荷,在模型中计及了压电材料的热电耦合效应.采用常增益负反馈控制方法、常增益速度负反馈控制方法、Lyapunov反馈控制方法和线性二次型调节器方法(LQR)设计主动控制器,实现了智能层梁结构脉冲激励下的振动主动控制.仿真结果表明,LQR方法更能有效的实现结构振动控制,并且具有更低的作动器峰值电压,但不能消除热载荷引起的结构静变形.     

主动约束层阻尼圆柱壳的环向占优模态控制

基于作者最近对主动约束层阻尼（ACLD）圆柱壳的建模研究基础,通过数值算例进一步研究了电压分布方式对ACLD圆柱壳减振效果的影响,重点放在控制方式以及驱动电压的施加方案上.大量的数值计算表明,在多种外激励下的ACLD圆柱壳,采用环向占优模态控制方案,具有最佳的振动抑制效果,进而提出了环向占优模态控制策略的概念.     

智能太阳翼有限元建模与振动控制研究

采用空间梁单元和矩形层板单元建立了表面粘贴压电片太阳翼的机电耦合有限元模型．其中,太阳翼与星体之间的连接架、太阳翼基板间连接铰链按空间梁单元处理;不含压电片的太阳翼基板按普通层板单元处理,而含有压电片的基板按压电层板单元处理．推导了多点约束关系式处理空间梁单元和板单元公共节点自由度不协调的问题．利用速度负反馈和线性二次最优调节器设计控制系统,编制有限元分析程序,进行了动力学特性计算和振动控制数值仿真．结果表明,压电传感／作动器的引入对太阳翼振动频率具有重要影响;利用压电传感／作动器和最优控制系统能够有效抑制太阳翼的振动．     

剪切模量对梁的磁橡胶约束阻尼特性的影响

基于周期耗能相等的原理,将磁橡胶约束阻尼悬臂梁(MRLD)与传统的约束阻尼悬臂梁(CLD)等价,计算MRLD的模态损耗因子,研究了阻尼层剪切模量Gv对MRLD梁阻尼特性的影响.研究表明,在给定激励位移下,当Gv较小时,MRLD与CLD的阻尼一样.增加Gv引起阻尼层滑移,在Gv增加的开始阶段,MRLD表现出比CLD更好的阻尼特性,但进一步提高Gv,MRLD的阻尼性能开始降低并将低于CLD.此外,增加位移激励,使MRLD的阻尼大于CLD阻尼的有效剪切模量Gv的区域向剪切模量小的方向移动;所对应最大阻尼的剪切模量Gvopt也如此.     

基于约束的主动规则终止性分析

终止性是主动规则所需的最重要的一个性质,但规则的终止性检查通常是不可判定的.已有的静态分析方法非常保守,SQL3标准也没有提供保证终止的机制,所以商业数据库限制规则级联触发的最大次数确保终止.由于规则可看成数据库状态转换器,而约束能够表示所有可能的数据库状态,基于约束表示的数据库状态及约束求解,模拟规则处理,可得到更精确的终止性结论.     

基于成对约束的主动半监督聚类算法

为了解决半监督聚类先验知识少、聚类偏差大的问题,提出了基于成对约束的主动半监督聚类算法.引入主动学习算法,增加约束集的信息量以使聚类效果更好;利用该约束集建立投影矩阵映射数据到低维空间,便于计算并提高聚类效果.算法中提出闭包替代思想,试图简化样本空间,以期获得降低聚类偏差的可能.由于聚类算法的实施对象是低维数据,成对约束集信息量大,聚类的时间效率以及性能均可保证.实验结果表明,采用主动学习的半监督聚类算法聚类效果提升显著,高效合理.     

面向控制的压电主动结构建模方法

以压电悬臂板为分析对象,通过对系统输入一输出数据作变换处理,隐式地设计最小拍状态观测器,基于状态观测器的Markov参数计算系统Markov参数,亦即系统脉冲响应采样值,然后采用特征系统实现算法辨识得到系统最小实现,所建立的智能结构的状态空间模型能控、能观,为控制器设计提供了一个较为精确的数学模型．     

智能柔性机械臂的建模和振动主动控制研究

针对伺服电动机、谐波齿轮减速器、柔性臂及压电致动器组成的智能柔性机械臂系统,基于假设模态法和Hamilton原理建立系统动力学方程.为了实现系统较高精度的位置控制,同时快速抑制柔性臂的弹性振动,提出了对伺服电动机采用PD(proportional derivative)控制、对压电致动器采用模糊(fuzzy)控制的复合控制策略.在数值仿真分析的基础上,搭建了智能柔性机械臂系统测控平台.数值仿真和实验结果表明所提出的控制策略是可行的:PD控制算法控制伺服电动机以较高的位置精度完成了系统运动控制,模糊控制算法控制压电致动器较快地抑制了柔性臂的弹性振动.实验中柔性臂的振动衰减时间由6.5s缩短为3.5s,提高了柔性臂末端的定位控制精度,改善了系统的操作效率.     

车辆底盘主动悬架实验台开发与阻尼特性仿真

为满足悬架控制系统结构简单,重量轻,能够缓解冲击的设计要求,提高车辆操控稳定性与安全性,对车辆底盘主动悬架实验台开发与阻尼特性仿真展开深入研究.根据车辆底盘主动悬架结构,建立运动微分方程,构建减振器阻尼特性模型;将永磁无刷直流电机作为发电机,设计理想状态下电路,计算电磁执行器的电磁转矩、阻尼与惯性力;分别设计实验台路面激振模块、数据采集与控制模块,完成实验台开发.仿真结果表明,活塞杆直径增大,压缩阻力增大,拉伸阻力减小;阻尼伐孔径越小,阻尼力越大;证明了所提方法设计的实验台性能稳定,可以较好地测试车辆控制性能,对控制器参数整定与优化起到辅助作用.     

磁约束阻尼悬臂壳的轴对称振动分析

提出了一种新型有效的方法来降低悬臂壳的轴对称振动．该方法的原理是在约束层端部上及固定端分别设置引力排列的永磁体,振动时磁体间的动态磁力可使阻尼层获得比传统约束阻尼处理方法更高的剪应变,阻尼层耗能增加,从而降低结构的共振峰．从夹层单元微元体受力分析出发,建立了局部磁约束悬臂壳的轴对称振动分析模型,得到分别用约束层纵向位移u30、积分常数c和径向位移w表示的夹层壳体单元的纵向和周向力平衡方程．在此模型中,考虑了振动时因u30引起动态磁力的变化,使得此模型能描述MCLD结构的动态及阻尼性能．此外,通过比较MCLD处理与传统的约束阻尼处理对磁约束悬臂壳的轴对称振动的控制效果,分析表明：磁约束处理可同时控制悬臂壳前几阶模态的振动．     

A discrete layer beam finite element for the dynamic analysis of composite sandwich beams with integral damping layers

A discrete layer finite element is presented for the dynamic analysis of laminated beams. The element uses C⁰ continuous linear and quadratic polynominals to interpolate the in-plane and transverse displacement field, respectively, and is free from the effects of shear locking. Modal frequencies and damping are estimated using both the modal strain energy method and the complex modulus method. A forced response version of the model is also presented. The model predictions are compared with experimental data for composite sandwich beams with integral damping layers. Four damping configurations are considered, a constrained layer treatment, a segmented constrained layer treatment and two internal treatments.     

组合结构等效阻尼比的确定及在有限元计算中的应用

针对组合结构动力响应计算中,一般根据工程经验确定结构阻尼比,往往导致结构动力响应计算结果偏小,不利于结构安全评估的问题,首先根据复阻尼理论与结构动力学方法,推导出组合结构的等效阻尼比计算公式;然后,以某体育场组合结构为工程背景,在有限元法基础上使用ANSYS软件建立该结构的有限元模型.根据计算出的自振特性以及利用ANSYS二次开发功能所形成的阻尼刚度矩阵,实现等效阻尼比的有限元法求解.计算结果表明,等效阻尼比能够正确反映组合结构的动力特性,从而可以科学地计算其动态响应.     

Study on energy dissipation pattern in vibrating fluid filled cylindrical shells with a constrained viscoelastic layer

The modal strain energy method is used to study the energy dissipation pattern in vibrating cylindrical shells with a viscoelastic damping layer, for various circumferential and axial modes. The effect of tank size, boundary condition and height of contained fluid on the distribution pattern is also investigated. The regions of energy dissipation concentration are identified. The effect of redistribution of the (initially uniformly distributed) constrained viscoelastic material by concentrating it in the above regions is studied.     

Free vibrational analysis of axially loaded bending-torsion coupled beams: a dynamic finite element

In this article, a dynamic finite element formulation for the free vibration analysis of axially loaded bending-torsion coupled beams is presented. Based on the Euler–Bernoulli and St. Venant beam theories, the exact solutions of the differential equations governing the uncoupled vibrations of an axially loaded uniform beam are found. Then, employing these solutions as basis functions, the analytical expressions for uncoupled bending and torsional dynamic shape functions are derived. Exploiting the principle of virtual work, together with the variable approximations based on the resulting shape functions, leads to a single frequency dependent element matrix which has both mass and stiffness properties. The application of the theory is demonstrated by an illustrative example of a bending-torsion coupled beam with cantilever end conditions, for which the influence of axial force on the natural frequencies is studied. The correctness of the theory is confirmed by the published results and numerical checks.     

含弱阻尼空间结构的耦合动力学保结构分析

大型空间结构的平面运动、姿态变化和结构振动影响着其在轨运行的工作精度、效率和寿命.针对太阳帆塔空间太阳能电站,根据其设计方案的结构特征,简化得到轨道平面内的梁 弹簧 梁模型.考虑系统中存在的弱阻尼作用,建立了耦合系统的动力学控制方程,采用辛Runge Kutta和广义多辛结合的复合保结构方法,对系统的耦合动力学行为和阻尼作用进行了分析.研究发现,弱阻尼作用对空间结构轨道变化存在微小影响,其值与轨道半径的比值在10-8量级.姿态角的变化会导致系统非刚性构件的形变变化.研究工作拓展了保结构方法在复杂空间结构动力学问题中的应用,为复杂系统结构的设计和主动控制提供了理论参考.