主動約束層阻尼結(jié)構(gòu)建模與振動控制研究.pdf

1、近年來,主動約束層阻尼(Active Constrained Layer Damping,.ACLD)作為一種新型智能材料被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動和噪聲的控制.典型的ACLD結(jié)構(gòu)分為三層:主動約束層(通常由壓電材料制成)、粘彈性層(由粘彈性材料制成)和基結(jié)構(gòu).該類結(jié)構(gòu)工作時,壓電層約束粘彈性層的變形,迫使粘彈性層發(fā)生剪切不斷耗散結(jié)構(gòu)的振動能量.壓電層在外加電場作用下產(chǎn)生應(yīng)變,迫使粘彈性層產(chǎn)生額外剪切變形.同時,外加電場在壓電層內(nèi)誘導(dǎo)的控制力

2、和控制力矩能通過粘彈性層傳遞到基結(jié)構(gòu),主動耗散振動能量. ACLD結(jié)構(gòu)中,粘彈性層能有效抑制結(jié)構(gòu)高頻振動,而壓電層能在電壓控制器作用下控制結(jié)構(gòu)低頻振動.因此,ACLD集成了主動控制和被動控制的優(yōu)點.作為一種新興的主被動雜交的阻尼技術(shù),ACLD在國防工業(yè)、航空航天、機械工程、能源交通、土木工程等各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.對ACLD結(jié)構(gòu)進行建模和振動控制研究,促進其在各領(lǐng)域的工程應(yīng)用,具有十分重要的現(xiàn)實意義和相當(dāng)誘人的潛在價值.

3、 論文首先綜述了國內(nèi)外關(guān)于ACLD結(jié)構(gòu)研究的大量文獻,對國內(nèi)外這方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行深入的論述,指出存在的問題,為進一步研究提供詳細的資料背景.作者還介紹了本文的內(nèi)容安排. 作者修正ACLD結(jié)構(gòu)建模常用的一些基本假設(shè),形成ACLD結(jié)構(gòu)的純剪切模型(Pure Shear Model,PSM),使用目前最新穎有效的數(shù)值建模方法-譜有限元法(Spectral Finite Element Method,SFEM)建立ACL

4、D圓柱殼結(jié)構(gòu)的頻域控制方程,這在國內(nèi)尚屬首次.考慮到ACI_,D圓柱殼的動力形狀函數(shù)復(fù)雜且難以求取,作者以譜傳遞矩陣法(Spectral Fransfer Matrix Method,STMM)為媒介,巧妙地直接獲得ACLD全覆蓋圓柱殼的譜單元方程.同時改進時域的模態(tài)應(yīng)變能法,獲得頻域方程中模態(tài)損失因子的估算方法. 譜有限元法用于復(fù)雜ACLD結(jié)構(gòu)時,特征方程不僅階次高而且?guī)в形粗獏?shù),求取動力形狀函數(shù)相當(dāng)困難.作者大膽提出譜有限

5、元法的一種全新改進方法--譜條單元法(Spectral Strip Element Method,SSEM).該方法先將ACLD結(jié)構(gòu)分成若干個譜單元,再將每個譜單元視為多個勻質(zhì)材料條通過邊界條件聯(lián)結(jié)而成,使用滿足勻質(zhì)材料條齊次解耦動力學(xué)方程的簡單動力形狀函數(shù)來近似代替滿足ACLD結(jié)構(gòu)耦合動力學(xué)方程的復(fù)雜動力形狀函數(shù),組裝這些條單元形成譜單元動力方程,最后按有限元法方式組裝所有譜單元形成整個結(jié)構(gòu)的譜動力方程并求解.該新方法既保留了譜有限元

6、法精度高和單元少的優(yōu)點,又避開了動力形狀函數(shù)不易求取的困難.只要適當(dāng)增加譜單元個數(shù),就能彌補因動力形狀函數(shù)近似帶來精度下降的缺點.作者將譜條單元法用于ACLD梁結(jié)構(gòu)、PCLD圓柱殼和ACLD圓柱殼,均取得很好的計算結(jié)果,充分證實了譜條單元法的有效性. 粘彈性材料的彈性模量遠小于普通彈性材料,在橫向載荷作用下極易發(fā)生橫向壓縮變形,而粘彈性層橫向壓縮變形贏接影響壓電層的主動控制作用.目前,國內(nèi)外尚無義獻涉及粘彈性層的壓縮效應(yīng).作者同

7、時考慮ACLD結(jié)構(gòu)中粘彈性層的剪切變形和橫向壓縮變形,提出一種全新的剪切--壓縮模型(Shear-Compression Model,SCM).作者推導(dǎo)出剪切--壓縮模型下ACLD梁的運動微分方程和邊界條件,使用譜條單元法建立它的譜單元動力方程,針對典型的ACLD部分覆蓋梁算例進行數(shù)值計算,并與純剪切模型進行比較.研究表明:剪切--壓縮模型在預(yù)測固有頻率和模態(tài)損失因子方面優(yōu)于純剪切模型;除非粘彈性層極薄且控制增益很小,否則粘彈性層橫向壓

8、縮變形不可忽略. 譜有限元法和譜條單元法建立的ACLD結(jié)構(gòu)頻域控制方程,不利于許多優(yōu)秀時域控制策略的實施.因此,作者想出一種有特色的方法--頻時轉(zhuǎn)換,將頻域控制方程轉(zhuǎn)換為時域控制方程.該方法通過求取ACLD結(jié)構(gòu)的特征值和特征向量來構(gòu)造時域控制方程,從而將結(jié)構(gòu)控制方程由頻域轉(zhuǎn)換到時域.由于頻時轉(zhuǎn)換所得時域控制方程自由度偏多,不利于控制設(shè)計,作者先采用模態(tài)降階法對時域控制方程作自由度縮減,然后對降階時域控制方程對應(yīng)的狀態(tài)空間方程作均

9、衡降階,保證狀態(tài)空間方程規(guī)模小,完全能觀和完全能控.作者以ACLD部分覆蓋梁結(jié)構(gòu)為例,證實了頻時方程轉(zhuǎn)換、模態(tài)降階法和均衡降階的有效性. 當(dāng)前ACLD控制器大多以優(yōu)化控制能量為目標(biāo),不能完全滿足工程要求.作者提出兩種新穎的面向振動阻尼的控制器設(shè)計:一種是基于輸出反饋的極點配置控制器設(shè)計,另一種是優(yōu)化控制能量的輸出反饋線性二次性穩(wěn)定度控制器設(shè)計.仿真結(jié)果顯示出這兩種控制器的工程實用性. 最后,作者總結(jié)了全文的工作和研究成果