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压电智能结构动力稳定性及判定准则研究

作　者: 陈超
导　师: 朱军强
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 大跨度空间结构 压电驱动器 压电主元杆件 动力失稳区域 动力失稳判定准则
分类号: TU399
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着经济社会的发展，大跨度空间结构已被广泛应用于人们的社会生活和工业生产中。然而由于大跨度空间结构中的杆件通常比较纤细，因此属于缺陷敏感结构，而且频率分布也比较密集，振型数目较多。在受到强风、雨、雪以及地震等复杂的动力荷载作用下，很容易发生动力失稳破坏，造成巨大的经济损失。近年来发展迅速的结构智能控制技术为防止此类结构发生动力失稳现象提供了一个新途径。目前利用智能控制技术对大跨度空间结构进行动力稳定控制的研究还处于起步阶段，因此，对智能结构的动力稳定性问题进行深入的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文以控制大跨度空间结构的动力稳定为目的，利用压电智能材料的正逆压电效应，设计了一种压电套筒式拉压双向受力的主元杆件。并以此压电主元杆件为研究对象对杆件进行了驱动器力学试验研究和动力稳定性分析。其主要的研究工作如下：（1）针对课题组设计制作的八根压电套筒式拉压双向受力主元杆件驱动器，分析了驱动电压与驱动力之间的关系；根据压电堆片数得到了最大驱动电压下的理想最大驱动力；并进行了驱动力性能试验研究。试验结果表明，驱动电压与驱动力呈线性关系；但试验得出的最大驱动力与理想最大驱动力有一定差距，说明其由于制作工艺等原因在施加电压时有能量的损耗。（2）建立了压电主元杆件分析动力失稳区域的计算模型；推导了在简谐荷载作用下压电主元杆件，考虑机电耦合且不考虑阻尼及同时考虑机电耦合与阻尼时的马奇耶方程；并分别求解了主元杆件在两种情况下的第一、第二动力失稳区域；得到了压电堆相对长度与动力失稳区域的隐含关系。利用MATLAB软件进行算例分析，验证了压电主元杆件在结构中能起主动控制的作用；得出了在实际工程应用中宜控制压电堆长度小于或等于总长的一半，压电主元杆件既经济实用又可以起到理想的控制效果。（3）总结了现阶段实际工程中常用的结构动力稳定性判定准则，并分别介绍了各判定准则的实用范围及其优缺点；推导了结构的能量变化、刚度矩阵正定性及动力稳定性三者之间的关系；基于能量变化定义了适用于弹性结构的动力稳定判定准则。利用ANSYS和MATLAB软件进行算例分析，验证了结构动力稳定度判定准则的正确性和可行性，为对压电智能结构进行动力稳定主动控制提供了理论基础。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-19
  1.1 课题研究的目的与意义  9-11
  1.2 国内外研究现状  11-17
    1.2.1 压电智能材料的应用  11-13
    1.2.2 压电智能结构的概况  13-14
    1.2.3 结构动力稳定性概述  14-15
    1.2.4 结构动力稳定性判定准则  15-17
  1.3 本文主要研究工作  17-19
2 压电主元杆件设计及驱动器试验研究  19-43
  2.1 前言  19-20
  2.2 压电材料的基本理论  20-25
    2.2.1 正逆压电效应  20-21
    2.2.2 压电材料的电介质和弹性性质  21-22
    2.2.3 压电方程  22-25
  2.3 压电主元杆件的设计  25-27
    2.3.1 压电堆的设计  25-26
    2.3.2 压电主元杆件的工作原理  26-27
  2.4 压电主元杆件驱动器力学试验研究  27-41
    2.4.1 压电堆参数  27-29
    2.4.2 驱动器力学试验  29-41
  2.5 本章小结  41-43
3 压电主元杆件动力失稳区域的分析  43-57
  3.1 前言  43
  3.2 压电主元杆件动力失稳区域的确定  43-51
    3.2.1 压电主元杆件计算模型的建立  43-44
    3.2.2 考虑机电耦合不考虑阻尼时动力失稳区域的确定  44-50
    3.2.3 同时考虑机电耦合和阻尼时动力失稳区域的确定  50-51
  3.3 算例分析  51-56
  3.4 本章小结  56-57
4 空间杆系结构的动力稳定性判定准则研究  57-77
  4.1 前言  57
  4.2 动力稳定性的基本理论  57-59
    4.2.1 李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性定义  57-58
    4.2.2 动力稳定性的分析方法  58-59
  4.3 动力稳定性判定准则的概况  59-64
  4.4 基于动力稳定度的动力稳定性分析  64-76
    4.4.1 结构稳定与能量变化的关系  64-66
    4.4.2 结构稳定度准则  66-67
    4.4.3 算例分析  67-76
  4.5 本章小结  76-77
5 结论和展望  77-79
  5.1 本文的主要结论  77
  5.2 研究展望  77-79
致谢  79-80
参考文献  80-84
附录 硕士研究生学习阶段发表论文  84

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