《雙曲扁殼大撓度低頻振動主動控制理論與試驗技術研究》是依託西安交通大學，由張亞紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：雙曲扁殼大撓度低頻振動主動控制理論與試驗技術研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張亞紅
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
雙曲扁殼廣泛用於大型輕質柔性航天結構，外部的環境條件極易引起扁殼發生大撓度的低頻振動，嚴重威脅結構的安全性和可靠性。目前針對雙曲扁殼大撓度低頻振動控制的研究尚屬空白，因此本項目擬開展以下工作：（1）建立基於MFC作動器的雙曲扁殼的線性、非線性機電耦合解析模型以及作動器的作動解析模型，結合作動解析模型和殼體有限元模型，發展並建立局部附加MFC作動器的雙曲扁殼機電耦合混合模型，研究基於MFC作動器的雙曲扁殼系統動力學特性。（2）基於作動解析模型，研究作動器結構參數、位置、驅動電壓等對作動力/力矩的影響規律，完成作動器的布局最佳化研究，並進行試驗驗證。（3）提出適合雙曲扁殼大撓度低頻振動的控制算法，仿真分析不同控制算法下雙曲扁殼的振動控制效果。（4）搭建系統振動控制試驗平台，開發雙曲扁殼大撓度低頻振動控制試驗技術，驗證理論模型和最佳化方案，實現雙曲扁殼的大撓度低頻振動主動控制。
結題摘要
雙曲扁殼廣泛用於大型輕質柔性航天結構，外部的環境條件極易引起扁殼發生振動，嚴重威脅結構的安全性和可靠性。本項目圍繞雙曲扁殼結構的壓電振動主動控制開展了相關的研究工作。主要工作包括：(1) 建立了基於MFC作動器的圓柱殼以及雙曲扁殼的機電耦合解析模型以及作動器的作動解析模型，結合作動解析模型和殼體有限元模型，建立了局部附加MFC作動器的雙曲扁殼機電耦合混合模型，研究了基於MFC作動器的雙曲扁殼系統動力學特性。(2) 基於作動解析模型，開展了作動器位置最佳化研究以及驅動電壓等對作動力/力矩的影響規律研究，給出了MFC作動器在控制結構彎曲和扭轉振動時貼上方位和位置的最佳化原則。(3) 建立了局部附加MFC的幾何大變形梁的振動控制模型，開展了非線性振動控制算法研究，結果表明模糊控制算法可以有效地控制梁的非線性振動，將該算法推廣到扁殼結構上，開展了雙曲扁殼結構的模糊控制仿真計算，表明模糊控制器可以有效地抑制殼體結構的彎曲與扭轉振動控制。(4) 搭建了扁殼結構的振動控制試驗平台，開展了扁殼結構彎曲和扭轉振動控制試驗，對比了PD控制與模糊控制效果，結果表明模糊控制可以根據控制效果動態調整控制增益，克服了PD控制中增益係數固定不變導致的控制效率低的缺陷。(5) 將MFC作動器以及模糊控制算法推廣套用到2關節伸展臂的剛柔耦合振動主動控制中，建立了2關節柔性臂的動力學模型，分析了其動力學特性，採用2片MFC作動器完成了2關節伸展臂的模糊PID振動控制，取得了良好的振動控制效果。(6) 根據壓電材料在曲面結構上作動能力大於平面結構的特點，推斷其在曲面結構的俘能特性優於其在平面結構的俘能特性，建立了多層PVDF薄膜貼上在雙曲殼局部表面的壓電俘能模型，推導得到了壓電層上的電壓與殼體的變形幾何關係，研究了殼體曲率半徑對電壓的影響，設計了基於PVDF薄膜的曲梁和直梁的俘能試驗，開展了壓電材料在曲面結構上的俘能試驗研究，理論和試驗結果驗證了推論的正確性，表明壓電材料在曲面結構上的俘能特性明顯優於平面結構上的俘能特性，多層壓電層串聯的俘能效果優於單層俘能效果。此外，在項目資助下還開展了隔振器的相關設計與研究工作。項目的研究結果和試驗技術為壓電材料在曲面結構及剛柔耦合機構振動主動控制套用方面提供了理論依據和技術參考，也為壓電材料在俘能套用方面提供了理論和試驗技術。
