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压电层合板壳力—电耦合分析及主动振动控制研究

作　者: 王树和
导　师: 严宗达
学　校: 天津大学
专　业: 结构工程
关键词: 压电薄膜层合板壳力-电耦合主动振动控制压电板元压电壳元模态控制
分类号: V215.3
类　型: 博士论文
年　份: 1997年
下　载: 426次
引　用: 2次
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内容摘要

柔性结构的振动控制是航空航天领域一个非常重要的问题，这主要是由于航天结构本身所具有的大型化，低刚度和柔性化特点使振动衰减较慢，而航天结构中的许多精密仪器又要求有一个较好的工作环境，才会使航天结构能正常运行，不致于发生大的偏差和失误。由于航天结构本身是一个连续参数分布系统，靠传统离散的点式传感器与致动器的布置不能达到理想的控制效果(例如恰好布置在某一振型的节点上时将无法起到传感和致动的作用)。由于压电薄膜(PVDF、PZT)材料近来的问世，从而促进了分布式振动控制方法的出现和发展，这就是在柔性结构上下表面分别结合两层压电薄膜，作为分布式传感器和分布式致动器。目前，采用这种方法对空间柔性结构进行主动振动控制，基于它重要的理论和工程价值而成为振动控制领域的热点问题。本文作者查阅了大量有关的文献，对压电层合板壳主动振动控制进行了系统的研究，取得了以下各方面的成果。 1．本文从压电本构方程和Hamilton原理出发，对一般的压电层合薄壳进行了力一电耦合分析，推导出了该结构力一电耦合的动力平衡方程，在理论上进行了深入的研究。 2．广义协调板弯曲单元由于它良好的性能而广泛应用于结构分析中，在对压电层合薄板振动控制的研究中，本文以这种单元为基础建立了包含多个压电层的压电层合板弯曲单元，这种单元可以每层有一个电自由度。利用本文的压电层合板元可以处理单元中具有多层压电致动器的情况，而以前的工作则仅限于单层压电致动器的情况。在算例验证中，采用自编的三维有限元程序对Bailey梁，Crawley板以及双压电片梁进行了计算，并将计算结果与他人及本文作者所实验结果进行了比较分折，结果表明本文的压电板具有较高的精度。 3．采用Hamilton原理推导了压电层合板主动振动控制方程。在势能的处理上，本文改变了过去有些作者仅仅考虑弹性势能而将电势能忽略掉的办法，从力—电耦合的角度推导出了全部的势能项，而在Hwang的压电板元中，则采取了将力电直接解耦的办法，将电场的作用化为一种等效的外荷载，这在理论上是不够严密的，而本文的方法则更加完善。 4．本文利用推导的主动控制方程，对布片优化问题进行了研究，由于压电材料在结构表面是分片布置的，而片与片间要留有微小空隙以相互绝缘，如果某一块压电片所覆盖的区域既有正应变又有负应变，则产生的正电荷和负电荷由于在同一块极片上，就会发生相互的抵消，最后使电荷量与实际应变情况不一致，从而影响到控制的效果。作者设了6种不同的贴片方案，采用本文所编的有限元程序对各种方案在前6阶振型中的控制效果进行了比较。结果发现，对于不同的振型，则会有不同的贴法以达到最优控制，对于不同的结构形式和不同的振动来说，应具有不同的最优选择。 5．到目前为止，对压电壳元的研究还很小，大部分集中在对压电板，梁的研究上。

全文目录

第一章绪论  10-19
  1.1 引言  10-11
  1.2 压电现象与压电材料  11-13
  1.3 压电层合板壳主动振动控制研究概况  13-18
  1.4 本文的研究工作  18-19
第二章压电层合薄壳力——电耦合动力平衡方程  19-28
  2.1 引言  19
  2.2 压电壳动力平衡的理论分析  19-25
  2.3 举例说明  25-27
  2.4 小结  27-28
第三章压电薄壳广义协调元与主动振动控制  28-62
  3.1 引言  28
  3.2 广义协调压电薄板单元的建立  28-30
  3.3 主动振动控制方程  30-38
  3.4 实验与验证  38-45
  3.5 压电层合板主动振动控制分析  45-61
  3.6 小结  61-62
第四章压电层合薄壳主动振动控制分析  62-79
  4.1 引言  62
  4.2 广义协调平板型压电薄壳单元的建立  62-64
  4.3 主动振动控制方程的建立  64-70
  4.4 算例验证与计算分析  70-78
  4.5 小结  78-79
第五章压电板壳振动的独立模态控制技术  79-95
  5.1 引言  79-80
  5.2 压电层传感机理  80-81
  5.3 压电层致动机理  81-83
  5.4 压电模态传感器的设计  83-84
  5.5 压电模态致动器的设计  84-86
  5.6 算例分析  86-94
  5.7 小结  94-95
第六章结论  95-96
参考文献  96-103
附录  103-104
致谢  104

压电层合板壳力—电耦合分析及主动振动控制研究

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