光致形狀記憶薄殼結構多場耦合及非接觸式控制

《光致形狀記憶薄殼結構多場耦合及非接觸式控制》是依託浙江大學，由鄒鴻生擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：光致形狀記憶薄殼結構多場耦合及非接觸式控制
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：鄒鴻生
• 項目類別：面上項目

項目摘要

薄殼結構的比剛度高，在航空、航天、機械等工程中套用廣泛。光致形狀記憶聚合物具有密度小、變形大、變形過程中無溫度變化、非接觸式控制的特性，是一種非常有套用前景的新型智慧型材料。光致形狀記憶作動器通過光、彈耦合效應作用於薄殼結構，可改變薄殼結構的剛度並進行動態振動控制。本項目研究光致形狀記憶聚合物材料的光、彈耦合效應，對其在光照射下的作動機理進行理論建模，建立光致形狀記憶作動器與薄殼結構的多場耦合動力學方程，構建智慧型結構中光致形狀記憶作動器的控制策略，奠定基於光致形狀記憶作動器的分散式智慧型結構控制理論基礎。對於梁、板等非殼結構及常見的薄殼結構（如錐殼、柱殼等）進行動/靜態控制。測定光致形狀記憶聚合物材料參數，設計光致形狀記憶/薄殼結構模型，確定實驗方案並搭建實驗平台，驗證其控制效果。將理論模型、數值模擬結果與實驗作對比驗證，建立光致形狀記憶薄殼結構的設計準則及套用指南。

結題摘要

本項目研究了光致形狀記憶聚合物（Light-activated shape memory polymer，簡稱LaSMP）的光彈耦合效應，基於化學動力學理論建立了通用的本構關係模型。基於哈密頓變分原理，建立了LaSMP層合的雙曲率薄殼結構的光彈耦合動力學方程。將動力學方程簡化到光致形狀記憶層合開口圓柱殼、圓錐殼及開口圓環殼結構，驗證了動力學模型的正確性。通過模態疊加法推導了光致形狀記憶薄殼結構的獨立模態控制過程，以及LaSMP作動器的模態控制力。製備了含螺化喃的LaSMP試樣，測量了材料的吸光度等基本參數及性能，並對試樣進行紫外光照射下的單軸拉伸和雙軸拉伸實驗。基於LaSMP在無初始應變時楊氏模量的變化特性，對圓柱殼結構和懸臂樑結構進行了頻率控制分析，建立了LaSMP層合圓柱殼的動力學方程，並過一步簡化得到層合懸臂樑的動力學方程。根據歐拉梁理論及階梯梁理論分析了層合懸臂樑的固有頻率，同時分析了LaSMP作動器的長度、位置等因素對頻率控制範圍的影響。進一步製作LaSMP層合彈性梁結構，通過實驗驗證了作動器對懸臂樑結構的固有頻率控制效果。研究了LaSMP作動器對圓環殼結構和拋物柱殼結構進行獨立模態振動控制。對於圓環結構在簡諧激勵下的振動, 針對LaSMP作動器的非線性特徵，採用了相位偏移法和神經網路控制兩種方法控制光強以提高作動器對圓環振動控制的效果；對於拋物柱殼結構的振動控制，通過分析LaSMP作動器在拋物柱殼結構表面的模態力分布情況，對拋物柱殼的自由衰減進行了獨立模態控制研究。此外，還研究了等幾何分析法在LaSMP板殼頻率控制中的套用，通過梁、板、圓柱殼實例證明等幾何分析法在板殼控制方向套用的可行性與準確性。本項目的研究為智慧型結構與電子系統的設計提供了新方法，並提供了一些理論與實驗依據。