（机械设计及理论专业论文）考虑压电控制电路失谐的叶盘结构振动控制方法研究.pdf

枣 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：冱12 年盖月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 名：辞导”一嗍纽幽丛 摘要 摘要 基于压电阻尼技术的振动控制方法是目前叶盘结构振动控制方 法研究中最常用的方法。然而，已有的相关研究都足以“控制电路系 统是谐调系统 这一基本假设为前提，实际上由于电路元件的制造误 差及环境影响等因素，压电控制回路不可能是谐调的，针对这一问题， 本文研究考虑压电控制电路失谐的叶盘结构振动控制方法。主要工作 如下： 1 以适用于多能域建模的功率键合图方法为工具，建立叶盘结构 一压电回路耦合系统的键合图模型。先以单叶片一单压电支路模型为 对象，根据h a m i i t o n 原理建立叶片一压电片运动方程，推导了压电 片的等效离散模型以及等效能量转换系数的表达式，然后建立叶盘结 构一压电回路耦合系统的键合图模型，并得到系统动力学状态方程。 2 研究叶盘结构在叶片刚度确定性失谐下，控制电路失谐对系统 动力学特性的影响规律，探讨电容、电感及电阻的不同失谐量以及失 谐分布形式对控制效果的影响，对比分析几种不同失谐形式的压电回 路控制下叶盘结构的振动特性。同时，搭建了四叶片叶盘结构一压电 回路系统试验台，对理论分析结果进行了实验验证。 3 针对简单遗传算法存在着收敛速度慢及容易产生“早熟”现象 的问题，本文对遗传算法选择算子和变异算子进行了改进。然后，基 于改进遗传算法，对压电控制回路分别进行了两模式和四模式优化， 对比分析了两种优化电路的控制效果以及花费比，得到效益与花费比 值最大的控制电路。并且通过分析优化失谐控制电路控制下叶盘结构 最大振幅频率响应，以及电路优化后叶盘最大振幅对叶片刚度失谐强 度的敏感性，对优化后的压电控制电路的控制效果进行了评价。 本文完善了基于压电阻尼技术的叶盘结构振动控制方法的理论， 为这种振动控制方法在工程中的应用提供理论参考。值得说明的足， 本文的振动控制方法同样适用于一般循环周期结构的振动控制。 关键词失谐，叶盘结构，振动控制，压电阻尼技术，键合图，遗传 算法 硕卜学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t v i b r a t i o nc o n t r o lm e t h o du s i n gp i e z o e l e c t r i cs h u n td a m p i n gs y s t e m i sac o m m o nm e t h o di nt h er e s e a r c h e so fm i s t u n e db l a d e dd i s kv i b r a t i o n c o n t r o l ，i nt h e s er e s e a r c hp a p e r sp i e z o e l e c t r i cn e t w o r k sa r ei d e a l l y c o n s i d e r e dt ot u n e ，w h i c hi sn o tr e a l i s t i cb e c a u s eo fm a n u f a c t u r i n ge r r o r o fc i r c u i te l e m e n t sa n de n v i r o n m e n t a li m p a c t a i m i n ga t s o l v i n gt h i s i s s u e ，v i b r a t i o nc o n t r o lo fm i s t u n e db l a d e dd i s ks t r u c t u r ec o n s i d e r i n g c i r c u i tm i s t u n i n gi ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sr e a d a sf o l l o w s ： 1 a d y n a m i c m o d e lo fb l a d e dd i s ks t r u c t u r ew i t h c o u p l e d p i e z o e l e c t r i cn e t w o r kw a se s t a b l i s h e db a s eo nb o n dg r a p h ，w h i c hi sa l l e f f e c t i v et o o lf o rm o d e l i n go fs y s t e mw i t hm u l t i e n e r g yd o m a i n s t h i s p a p e rf i r s t l yt a k e sam o d e lo fs i n g l eb l a d e s i n g l es h u n t e dc i r c u i ta s r e s e a r c hs u b j e c t ，d e r i v e dt h ee q u a t i o n so fm o t i o n o ft h eb l a d ew i t h p i e z o e l e c t r i cn e t w o r ku s i n gt h eh a m i l t o n sp r i n c i p l e ，t h e no b t a i n e dt h e e q u i v a l e n t d i s c r e t em o d e la n d e x p r e s s i o nf o r m u l a o ft h e e n e r g y t r a n s f o r m a t i o nc o e f f i c i e n to ft h ep i e z o e l e c t r i cp a t c h f i n a l l y , b o n dg r a p h m o d e lo fb l a d e dd i s ks t r u c t u r ew i t hc o u p l e dp i e z o e l e c t r i cn e t w o r kw a s e s t a b l i s h e d ，a n ds y s t e ms t a t ee q u a t i o nw a sg i v e n 2 t h ee f f e c to fp i e z o e l e c t r i cn e t w o r km i s t u n et os y s t e m sd y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i cw a ss t u d i e dw h e nb l a d e s s t i f f n e s si sd e t e r m i n i s t i cm i s t u n e d t h ei n f l u e n c e so fc i r c u i t p a r a m e t e r s ( c a p a c i t a n c e ，i n d u c t a n c ea n d r e s i s t a n c e ) m i s t u n i n ga n dd i s t r i b u t i o np a r e mo fm i s t u n i n gt ov i b r a t i o n c o n t r o le f f e c tw e r ei n v e s t i g a t e d a n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e b l a d e dd i s ks t r u c t u r eu n d e rt h ec o n t r o lo fs e v e r a ld i f f e r e n tm i s t u n i n g p i e z o e l e c t r i cc i r c u i t sw e r ea n a l y z e dc o m p a r a t i v e l y i na d d i t i o n ，af o u r b l a d e sb l a d e dd i s k - p i e z o e l e c t r i cn e t w o r kt e s tb e n c hw a sb u i l tt ov a l i d a t e t h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s 3 i no r d e rt oa v o i dt h ed e f e c to fs l o wc o n v e r g e n c ea n d ”i m m a t u r e c o n v e r g e n c e e x i s t i n gi nt h et r a d i t i o n a lg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h es i m p l e g e n e t i ca l g o r i t h m s s e l e c t i o n o p e r a t o r a n dm u t a t i o n o p e r a t o rw e r e i m p r o v e d t h e np i e z o e l e c t r i cn e t w o r kw a so p t i m i z e db a s e do ni m p r o v e d g e n e t i ca l g o r i t h m ，t h e r a t i oo fc o n t r o le f f e c tt oc o s tw a ss e p a r a t e l y a n a l y z e dw h e ne a c hc i r c u i tp a r a m e t e rh a st w ov a l u e sa n df o u rv a l u e s ，a n d 硕t + 学位论文a b s t r a c t t h em a x i m u mr a t i on e t w o r kw h i c hc a nb ec o n s i d e r e dt ot h eb e s tc i r c u i t w a sa c h i e v e d t h e n t h r o u g ha n a l y z i n g t h em a x i m u m a m p l i t u d e f r e q u e n c yr e s p o n s eo fb l a d e d d i s ka n ds u s c e p t i b i l i t yo f m a x i m u ma m p l i t u d et ob l a d es t i f f n e s su n d e rt h ec o n t r o lo fo p t i m i z i n g p i e z o e l e c t r i cn e t w o r k ，t h e c o n t r o l p e r f o r m a n c eo ft h eo p t i m i z i n g p i e z o e l e c t r i cn e t w o r kw a se v a l u a t e d t h er e s e a r c hp r o d u c t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o ni m p r o v et h et h e o r i e so f v i b r a t i o nc o n t r o lm e t h o do fm i s t u n e db l a d e dd i s ks t r u c t u r e u s i n g p i e z o e l e c t r i c s h u n td a m p i n gs y s t e m ，a n dt h e s er e s u l t sc a n p r o v i d e t h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o d i n a d d i t i o n ，t h i sv i b r a t i o nc o n t r o lm e t h o dc a na l s ob ea p p l i e dt og e n e r a l m i s t u n e dp e r i o d i cs t r u c t u r e s k e yw o r d s m i s t u n i n g ，b l a d ed i s k s ，v i b r a t i o nc o n t r o l ，p i e z o e l e c t r i c n e t w o r k ，b o n dg r a p h ，g e n e t i ca l g o r i t h m 硕 学位论史日录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题来源及研究背景1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 研究背景1 1 2 失谐叶盘结构振动局部化问题及振动控制方法研究概述2 1 2 1 失谐叶盘结构振动局部化研究进展2 1 2 2 基于压电智能材料的结构振动控制方法研究进展5 1 2 3 失谐叶盘结构振动控制方法研究进展8 1 3 本文研究的t 要内容1 2 第二章叶盘结构一压电回路耦合系统键合图模型建立1 4 2 1 引言1 4 2 2 叶盘一压电回路系统模型的建立1 5 2 2 1 叶盘结构键合图模型。1 5 2 2 2 压电回路系统键合图模型1 5 2 2 3 叶盘一压电回路祸合系统键合图模型1 8 2 3 系统动力学方程1 9 2 3 1 叶盘结构动力学方程1 9 2 3 2 叶盘结构一压电回路耦合系统动力学方程2 l 2 4 本章小结2 3 第三章压电 口1 路失谐对叶盘结构振动局部化影响规律2 4 3 1 引言2 4 3 2 控制前叶盘结构的受迫响应2 4 3 2 1 叶片振动形式及激振力分析2 4 3 2 2 控制前叶片的频率响应特性2 5 3 3 谐调压电回路控制下的叶盘结构响应分析2 8 3 3 1 谐调电路参数值的选取2 8 3 3 2 谐调电路控制下的叶盘结构幅频响应2 9 3 4 失谐压电回路控制下的叶盘结构响应分析3 0 3 4 1 电路参数失谐对控制性能因子的影响。3 0 硕十学位论丈 目录 3 4 2 失谐电路控制f 的叶盘结构幅频响应3 2 3 5 电路参数失谐对叶盘振动特性影响规律实验验证3 4 3 5 1 实验目的、原理及步骤3 5 3 5 2 实验结果及分析3 7 3 6 本章小结3 9 第四章基于改进遗传算法的压电控制电路优化4 0 4 1 引占4 0 4 2 遗传算法概述4 0 4 2 1 遗传算法的特点4 1 4 2 2 遗传算法的实现4 1 4 3 基于改进遗传算法的压电控制电路参数优化4 2 4 3 1 简单遗传算法的改进4 3 4 3 2 压电控制电路的优化实现4 4 4 3 3 优化结果分析及算法评价4 6 4 4 电路优化后叶盘最大振幅对叶片刚度失谐强度的敏感性分析5 0 4 5 本章小结5 0 第五章全文总结及展望5 2 5 1 全文总结5 2 5 2 建议与展望5 3 参考文献5 4 致谢6 0 攻读硕士学位期间主要研究成果6 1 硕t ：学付论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究背景 1 1 1 课题来源 本论文的课题来源于9 7 3 国家重点基础研究发展计划项目“大型动力装备制 造基础研究”子课题“盘式拉杆转子轴承系统的动力学分析理论模型与跨尺度数 值分析方法”，课题编号为“2 0 0 7 c b 7 0 7 7 0 6 ”。 1 1 2 研究背景 叶片一轮盘结构是燃气轮机和航空发动机完成能量转换的关键部件，其工作 坏境十分恶劣，除受到高速旋转带来的离心载荷的作用外，还受到不稳定的气动 力的作用，因而叶盘结构的工作可靠性往往受到大家的关注。据资料统计表明， 在燃气轮机和航空发动机出现的重大故障中，大约有2 5 都与叶盘结构叶片振动 的高周疲劳有关，由此引起的损失占全部损失的5 0 左右。例如，联邦德国大 型电站职工协会对火电站燃汽轮机叶片高周疲劳的损伤情况作了统计伸1 ：从1 9 7 3 年开始对7 6 台燃汽轮机的工作情况进行了观察、记录，发现其中2 8 台燃气轮机 出现叶片高周疲劳损伤高达5 0 余次。同样，作为航空发动机关键部件的涡轮叶 片的失效也是时有发生。上世纪9 0 年代初，装有3 台斯贝发动机的三叉戟飞机， 曾多次出现单台发动机涡轮叶片断裂故障口1 。另外，装两台w j - s a - i 发动机的运 7 飞机，也由于不止一次出现单台发动机涡轮叶片断裂而使得许多飞机停飞，经 济损失巨大。因此，在燃气轮机和航空发动机设计中，与振动有关的疲劳破坏是 转予叶盘设计者关心的主要问题。 引起燃气轮机和航空发动机h c f 故障的原因t 要有两个因素：( 1 ) 不同转速 下的共振；( 2 ) 受到宅气动力、弹性力和惯性力的耦合作用颤振。共振的一个重 要特性就是当加速至共振转速时，振幅迅速增大，在共振转速时到达极值，通过 共振转速后迅速减小。颤振的特点是一旦出现气动弹性失稳有逐渐增大的趋势， 应力越来越大导致严霞破坏。目前，对于叶盘结构共振理论的研究较为成熟，由 于颤振成因的复杂性，对叶盘结构颤振的研究仍不完善。 叶盘结构是一种典型的循环周期结构。理想的循环周期结构是由若干个性质 完全相同的子结构沿周向排列而成的对称结构，理想循环周期结构的振动模态沿 圆周方向均匀分布，各子结构的振幅相等。但实际上由于制造误差及工作中不均 匀磨损等因素，理想的循环周期结构是不存在的，各子结构的外形尺寸、质量和 刚度等参数不完全相同，这种结构被称为失谐结构。当循环周期结构存在失谐时， 硕l 学位论文第章绪论 结构振动模态不再沿周向均匀分布，某些子结构的模态将远大于其他子结构模态 而形成振动能量集聚，使得这些子结构的振动幅值过高，出现振动局部化现象h 1 。 循环周期结构的振动局部化使得局部子结构的振动应力极大增加，高周疲劳应力 循环次数减少，大大提高了结构疲劳破坏的风险晦6 1 。据统计，由于叶片失谐产 生的振动局部化导致的叶片疲劳断裂的事故时有发生盯1 ，如图l 一1 所示的叶片 断裂破坏。 为降低失谐对叶盘结构振动的不利影响，提高燃气轮机和航空发动机可靠 性，延长它们的使用寿命，研究失谐叶盘结构的振动控制方法具有较强的现实意 义。 图l 一1h c f 导致的叶盘结构中叶片的损伤 1 2 失谐叶盘结构振动局部化问题及振动控制方法研究概述 1 2 1 失谐叶盘结构振动局部化研究进展 目前，国内外很多学者对失谐叶盘结构的振动局部化问题进行了大量研究， 并取得了许多重要研究成果。 局部化概念是由a n d e r s o n 1 在研究固态物理中的无序性对金属导电性的影 响时首先提出的。8 0 年代初期，h o d g e s 旧1 训等将局部化概念引入结构动力学领域 中，使局部化的概念在力学领域得到推广，并且他们从理论和实验上证明了结构 动力学和振动领域中确实存在局部化现象。此后，周期结构失谐引起的振动局部 化问题逐渐受到了学者们的重视，他们采用多种不同的理论分析方法和实验技术 对此进行了多方面的研究1 2 1 引。叶片一轮盘结构作为典型的周期结构，其结构 失谐导致的振动局部化问题也已成为学者们研究的热门课题n 劓。 1 失谐叶盘系统固有特性研究 叶盘系统的固有特性包括固有频率和模态振型两方面。与谐调系统相比，失 2 硕仁学位论文第一章绪论 谐叶盘系统的固有频率和模态振璎会产生极大变化。 1 9 7 6 年e w i n s 【i 引对失谐叶片一轮盘结构的振动模态问题进行了研究，实验观 察到了“复杂模态”现象。之后，w e i 等n j 引和p i e r r e 等分别利用连续参数模 型和单自由度扇区集中参数模型，分析了失谐周期结构振动固有特性，给出了含 有失谐参数的固有频率和模态振型的近似计算公式。他们的研究发现失谐会导致 系统模态产生局部化现象，同时失谐系统的特征值对失谐强度的轨迹曲线呈现先 汇聚，但不交叉，然后再分离的“转向现象”，并且模态密集结构( 特征值接近) 比特征值分散的结构更容易产生模态局部化。h a p p a w a n a 等n 8 1 利用奇异摄动法研 究了失谐叶盘系统的特征频率的转向特性和模态振型局部化。o t t a r s s o n 和 p i e r r e n 刚则将传递矩阵法和摄动法结合，研究了叶盘系统随机失谐时的振动局部 化问题，推导了用随机传递矩阵表示的动力学方程，并将随机传递矩阵按失谐参 数展开，得出了失谐灵敏度的定义，利用摄动法得到了在高、低灵敏度两种极限 情况下局部化系数的近似计算公式。研究表明，叶盘结构的频率域是由通带 ( p a s s b a n d s ) 和禁带( s t o p b a n d s ) 组成的，而且通带的数量与每个叶盘扇区的 自由度数相同，结构的固有频率均位于通带，这与一般周期结构相似。g r i f f i n 和h o s s a c 汹1 建立了多自由度扇区集中参数模哩，应用统计分析方法研究了涡轮 叶片失谐振动固有特性问题。1 9 9 2 年p i e r r e 和m u r t h y 利用连续参数模型和摄 动法研究了失谐叶盘结构叶片间存在着气弹耦合时的振动模态局部化问题。2 0 0 8 年，王建军、姚建尧等口l 2 2 1 基于单扇区多自由度集中参数模型，采用m o n t ec a r l o 仿真分析方法研究了叶片刚度随机失谐叶盘结构的概率模态特性，并提出了评价 模态振型局部化程度的定量指标。 2 失谐叶盘系统受迫振动响应的局部化研究 失谐叶盘系统振动响应局部化分为稳态响应局部化和瞬态响应局部化两部 分，其中对稳态响应局部化研究较多。 ( 1 ) 稳态响应的局部化 在进行叶盘结构稳态响应计算时，一般均采用平稳流场中旋转叶片所受的激 励来计算，这方面的文献有n6 强2 5 矧等 1 9 8 8 年，w e i 和p i e r r e 【1 6 1 求解了在叶片自振频率确定性失谐时叶盘结构的 稳态响应。分析了叶片受到周期激励下叶片自振频率失谐量对系统稳态响应的影 响；探讨了不同激励频率下谐调和失谐叶盘结构叶片振动幅值分布状态等，分析 了系统的最坏失谐模式。他们的研究还表明，失谐叶盘结构稳态响应的局部化具 有与一般失谐周期结构相同的规律和性质。 2 0 0 0 年，m i g n o l e t 等乜7 1 研究了叶片受谐和力激励下，叶片刚度的失谐量沿 圆周方向按简谐规律变化的叶盘结构受迫振动响应 然而，对于失谐叶片一轮盘结构系统来说，失谐量的分布往往是随机的，因 3 硕十学位论文 第一章绪论 此采用随机分析理论进行叶艋结构的动态响应分析更加接近工程实践。 1 9 8 0 年，s o g li e r 等啪1 应用随机数方法- - m o n t ec a r l o 法计算了失谐叶盘结 构的疲劳寿命，得到了失谐会极大降低结构疲劳寿命的结论；后来，g r if f i n 和 h o o s a c 啪1 也应用相同的方法研究了叶片较多时失谐叶盘结构受迫振动响应的统 计特性。 m o n t ec a r l o 虽有计算结果精度较高且算法简单的有点，但是计算非常费时。 后来人们寻求到近似的摄动方法来进行求解，这种方法既保证了计算精度又节省 了计算时间。 1 9 8 2 年，h u a n y 汹1 将叶片失谐量视为随机变量，推导了一种可计算叶片振幅 期望值和方差的摄动解法但这种方法只适合于叶片间距很小的叶盘结构系统 1 9 8 6 年，s i n h a 口刚假设叶片质量和刚度的失谐量为高斯分布，结合摄动法和 概率分析理论，求得了叶盘系统叶片振幅的概率密度函数；1 9 8 8 年他们口又应 用此方法计算了叶片失谐量为非高斯分布的情况；在1 9 8 9 年的文献m 1 中，他们 应用了更高阶的方法求解了此问题。 上述这螳早期摄动解法的计算精度受系统失谐量大小和阻尼影响很大，在大 失谐量、小阻尼比的情况下往往会产生较大误差，而且这些方法不能得到诸于最 大振幅的均值、方差等一些比较重要的统计量，因此在应用时限制较多。 1 9 9 0 年，w e i 和p i e r r e 汹1 采用单自由度集中参数模型对叶盘结构的受迫振 动响应进行统计分析，研究了响应幅值的均值和方差。特别是该文对比分析了己 有的各种常用方法( 如m o n t ec a r l o 法，摄动法等) 的特点，比较了它们的n 自由 度系统的分析结果，讨论了这些方法的计算精度、费用及局限性等。 近年来，m i g n o l e t 等m 箱瑚1 又基于组合型摄动方法研究了叶片振动响应幅值 概率密度函数 2 0 0 0 年，m i g n o l e t 等乜引研究了叶片受谐和力激励下，叶片刚度失谐量沿周 向分段出现时的受迫振动响应。结果表明，只有部分叶片失谐的叶盘系统响应特 性与失谐量为一般随机分布时的有着相同的规律和性质，而且在从弱耦合至强耦 合的较宽的耦合范围上，轮盘的最大响应幅值均符合w e i i b u l l 型分布状态。 ( 2 ) 瞬态响应的局部化 为预防工作时有害的共振，保证系统的可靠性，预测系统在加速、减速和通 过共振区时的最大应力，进行叶盘结构系统的瞬态响应分析是十分必要的，目前 这方面的研究相对较少。 1 9 8 9 年，o m p r a k a s h 和r a m a m u r t ic 3 7 1 提出了谐调的叶盘结构系统在部分喷气 过程中的瞬态响应分析模型1 9 9 1 年，i r r e ti e r 和o m p r a k a s h 汹1 研究了喷嘴数与 叶片数相等时，谐调的叶盘结构的瞬态响应特性1 9 9 4 年r z a d k o w s k i 啪3 应用连续 参数分析模型，利用h a m i l t o n 原理，结合r i t z 法推导了动力学方程，并由模态 4 硕t 学位论文第一章绪论 迭加法求解得了叶盘结构瞬态响应特性。研究表明，相比叶片数与喷嘴数相等时， 喷嘴数与叶片数不等时叶片的应力响应谱要复杂得多。此外，文中对局部区域应 力增大原因进行了解释，并分析了谐调和失谐两种情况下叶片根部瞬态应力的差 别。在此基础上，1 9 9 6 年，r z a d k o w s k i m l 分析了叶片数等于喷嘴数时失谐叶盘 结构的瞬态响应 1 2 2 基于压电智能材料的结构振动控制方法研究进展 振动控制是工程领域的重要分支，也是结构振动研究的出发点和目的，包括 振动的利用和抑制两个方面h l4 2 1 ，通常所说的振动控制一般是即指振动抑制，其 任务是通过采用一定方法、手段使目标结构的振动水平满足预定要求，也就是将 振动响应限制在一定的量下。早期的振动控制方法主要是通过附加结构对目标结 构进行吸振、减振、隔振，后来，一些方法则通过结构动力学优化设计来降低结 构的振动响应。这些方法本质上都是改变结构整体的动力学特性( 如刚度、阻尼 和质量的大小及分布) 来降低目标结构工作时的振动响应的，被统称为被动控制 法。这些方法是以己知结构所受激励的特性作为前提的，因此设计一旦完成就不 能再更改，缺乏对环境变化的适应性。但由于这种控制方法有简单、可靠、无能 耗的优点，因此仍然被广泛应用于机械、建筑、桥梁等大璀固定结构的减震方面， 并且也在不断取得新的进展。但随着科技的发展，很多领域，如航空、航天结构、 光学测量仪器、精密机械等等，对结构的振动控制方法提出了越来越高的要求， 这砦要求包括轻巧、高精度、智能性以及适应性等等。在这种情况下被动控制的 局限性就突显出来，而主动控制技术由于其控制性能好、适应性强的优点逐渐受 到重视。振动主动控制的研究开始于2 0 世纪5 0 年代末期，但直到8 0 年代，由 于工程迫切需求，同时，控制理论、信号处理、计算机技术、新材料等相关技术 的发展促使其在工程上得到广泛应用h 2 4 3 4 4 5 挪4 刀。 1 2 2 1 智能结构在振动控制中的应用 随着振动主动控制技术在不同工程领域中的广泛应用，人们对传感器、作动 器提出了重量轻、反应敏捷、动态适应性强的要求。在这样的工程背景下，智能 结构传感器、作动器应运而生。 智能结构系统是在结构中将传感器、执行器和控制器集于一体，赋予结构自 诊断、自纠正以及自适应等智能功能，结构更加安全、质鼍更小、能耗更低、性 能更好的一种仿生结构系统呻，。目前，这种具有自适应控制能力的主动结构，通 常是将作为传感器和执行器的功能材料埋入或嵌入常规的弹性材料中来构成，而 控制回路的集成仍较为困难，一般都设计成单独的控制系统。智能结构汹1 能够将 传感器、作动器、微处理器和动力源( 一般即电源) 部分或全部集成在结构本体上， 从而使得结构能够按照人们的设计要求对力、电磁场、温度等外界的激励做出适 当的响应，就如人体能对环境作出响应一样，传感器相当于人的神经系统，作动 5 硕。 ：学位论文第章绪论 器相当于肌肉，处理器相当于大脑，因此智能结构本身就是一完备的自动控制系 统。 这种新璎结构最初出现在航天应用领域中，并随着新材料技术、微电子技术 及计算机技术的进步而逐步发展起来的嘞5 l 1 。上世纪7 0 年代末，智能结构的 概念首先由美国科学家提出，他们将压电陶瓷嵌入复合材料制成构件瞄l5 4 1 。后来， 日本、德国、英国等发达国家均投入大量人力、财力展歼了对智能结构的研究。 目前，智能结构的应用己从航空、航天领域扩展到机械、机器人、汽车、建筑陆5 1 甚至医学等领域，具体内容主要包括：结构的振动控制、变形控制、噪声控制、 结构健康监测及安全防护等方面。 文献汹1 将智能结构分为四个层次。第一层初级形式包括传感结构和自适应结 构，前者只有传感器，主要用于结构诊断或监测，后者只有作动器，其作用是按 照预设的控制规律改变结构的态。第二层次的智能结构称为受控结构，结构既配 备有传感器又配备有作动器，另外有独立的信息处理设备，构成能够完成结构的 主动控制的闭环系统。第三层次称为主动结构，也是同时具备传感器、作动器和 信息控制系统。但它的传感器和作动器复合在一个结构上，所以这个结构同时具 备传感和作动功能，这就是主动结构和受控结构的差别所在。第四层次是将传感 器、作动器、信息处理：芯片、人工智能环节、信号总线甚至电源都与结构融合在 一起，使结构具有自感知、自适应、自诊断、自修复等智能特性。第三层次的智 能结构已经实现并得以应用，目前的研究主要针对此类结构。而第四类结构目前 还在实验研究阶段，其应用还有赖相关技术的进一步发展。 1 2 2 2 基于压电材料的智能结构振动控制方法 在智能结构振动控制中，压电材料是研究和使用最多的传感器和作动器材料 是，自c r a w e l y 研究了压电片与梁之间的相互作用规律，开辟了以压电陶瓷作为 作动器的振动主动控制结构的研究之后，压电材料以其许多独特的优点在智能结 构中得到了广泛的应用。 ( 1 ) 压电材料的优点、种类及使用方法 用压电材料制作的压电传感器和作动器是压电智能结构的基础晦7 1 。压电材料 之所以广泛应用于智能结构是由于压电材料有如下优点： 1 ) 压电材料具有的正、逆压电效应使得压电材料既町作传感元件又可作驱动 元件； 2 ) 频率响应范围宽( 可几十赫兹到几百兆赫兹) ； 3 ) 压电效应具有较好的线性关系； 4 ) 压电材料的输入输出信号均为电信号，易于测量与控制； 5 ) 压电材料功耗低； 6 ) 压电材料容易加工，方便加工成薄片状，特别适用于柔性结构； 6 硕 学位论文 第一章绪论 7 ) 压电材料应用于柔性结构的控制中用作为传感器时不需要参考点，而作为 执行器也不需要支承点； 8 ) 压电材料的制备技术不断完善和成熟，价格也相对便宜。 正因为以上这些优点，压电材料作为传感器和作动器材料被广泛地应用在智 能柔性结构中。压电陶瓷( p z t ) 和压电聚合物( p v d f ) 是应用最多的两类压电传感 器材料，其中p z t 既可制作成传感器，又可制作成执行器；由于p v d f 产生的驱 动力很小，一般只用作传感器旧1 。 ( 2 ) 压电材料在振动控制中的应用 目前压电智能结构在机械制造、航空航天、车辆工程以及土木结构工程等领 域都有应用，相关技术越来越成熟。 1 ) 压电材料在机械制造领域中的应用 压电材料在机械工程领域的应用主要是用于结构振动主动控制，集中在精密 机械的主动隔振，如精密、超精密机床以及精密测量仪器和电子加工设备等。 t a k a f u m if u j i t a 啷1 采用八个压电作动器对铝制试验台的六自由度微振动进行主 动控制。实验发现，在0 3 l o o h z 的频率范围内，铝制试验台各个方向的振动均 衰减了8 0 9 0 ，台体部件工作稳定性得到改善。 2 ) 压电材料在航空航天领域中的应用 压电传感器具有容易安装、低噪声、对温度变化敏感性低和高应变灵敏度的 特点；而压电材料作为作动器时，结构质量轻、操作容易、频带宽，并且结构内 部能够产生作用力。这些特点适合航天结构的需要。文献啪1 研究了压电陶瓷作动 器在太空卫星太阳能帆板振动抑制中的作用。文中基于h a m i i t o n 变分原理，推导 了含多个压电片的太阳能帆板模型的动力学方程，并通过试验说明加入主动控制 后的结构振动抑制能力得到了大幅提高，表明此振动控制系统可大幅度减小卫星 太阳能帆板的振动，延长其工作寿命。 3 ) 压电材料在车辆工程领域中的应用 传统的车辆减振都是采用被动减振方法，主要是利用减振器或具有弹性和较 大阻尼比材料来吸收或消耗振源产生的振动能量来减小车身的振动，控制效果非 常有限，更藿要的是这背离了汽车轻量化的目标。文献埔对液阻悬置与压电作动 器组成的主动控制悬置进行了研究。在原被动液阻悬置上安装厚璎压电作动器， 采用自适应控制方法，对发动机主动悬置隔振系统进行了仿真分析。结果表明， 主动隔振系统的抗振性能明显好于被动系统，在采用主动控制后，原被动悬置的 挠度及作动器的变形量均在允许范围之内。测试了干扰频率在频段2 0 2 0 0 h z 变化时的车身振动加速度情况，结果表明隔振效果理想非常理想。此外，相对于目 前轿车上普遍采用的利用液阻悬置被动隔振元件进行减振的方法，这种主动控制 系统在发动机高频工况下的振动控制效果明显好于被动系统，有效地降低了车身 7 硕卜学位论文 第一章绪论 振动加速度和车箱内噪声，提高了车辆乘啦舒适性。 4 ) 压电材料在土木结构工程中的应用 目前，利用压电材料、电流变体、形状记忆合金等智能材料做传感器和作动 器对土木结构的振动进行主动控制，在理论研究及试验方面都已取得了一些成 果。压电堆技术的迅速发展，为基于压电技术的结构振动控制方法的研究和应用 开辟了新领域。目前压电材料在土木工程结构的噪声主动控制、静变形控制、健 康监测和自适应修复等领域都有应用。文献2 1 在建筑结构中采用压电堆技术进行 振动主动控制，取得了良好的控制效果，并且这种控制方法造价成本也较低廉。应 用压电材料的主动控制技术的主要缺陷是驱动力较小，虽然压电堆等技术可以在 一定程度上弥补这一缺点，但对于庞大的土木工程结构来说，这种振动控制技术 基本上还仅限于理论研究和试验阶段，在实际结构中的应用尚有许多困难，要得 到广泛应用需要进一步研究改善。 1 2 3 失谐叶盘结构振动控制方法研究进展 目前，有关失谐叶盘结构振动的研究主要集中在振动局部化成因及局部化响 应预测的方面，而在振动局部化控制方面的研究极少。最早用来控制失谐叶盘结 构振动控制方法都是通过设计阻尼件或吸振器等附加结构被动地吸收、消耗振动 能量，以达到减震的目的的，如g r i f f i n 和g o r d o n 随3 1 利用摩擦和粘弹性阻尼器 来消耗叶盘系统的振动能量，o l s o n 和s h a w 泓1 则使用吸振器来吸收叶片在某些阶 激励下的振动能量。由于被动控制方法只能够被动地吸收振动能量，振动控制性 能差，不能减小失谐造成的局部化现象。而且许多研究晒5 她6 表明，摩擦非线性 因素可显著改变谐调叶盘结构的动力学特性，阻尼对结构振动局部化的影响程度 与失谐对结构振动局部化的影响相当。为更加有效地对失谐叶盘系统振动进行控 制，c a s t a n i e r 和p i e r r e 旧1 试图通过主动失谐的方法来降低叶盘结构对失谐的敏 感性，他们的研究发现若将周向分布的叶片设计成失谐量按一定分布规律排列 “失谐”结构，叶盘结构的动力学特性对由加工误差或工作磨损产生的随机失谐 不敏感。 随着工程领域振动主动控制思想的兴起与发展，很多学者试图找到一种可以 实现主动控制的方法。目前叶盘结构的振动主动控制方法都是利用一些材料的特 殊性能进行振动控制的。如r u z z e n e 和b a z 吼7 们研究了周期嵌有形状记忆合金的 杆件中的波动传播、衰减、控制和局部化等他们根据形状记忆合金相变后其弹 性模量会极大变化的特点，在压杆中周期嵌入形状记忆合金作为阻抗失配器，通 过调谐阻抗大小以改变结构的禁带和通带的频率范围，控制不同频率的扰动在结 构中传播，从而达到对结构进行控制的目的。同时形状记忆合金的阻抗具有可调 谐特性，通过给形状记忆合金的活化温度加一随机失谐量来引入结构的失谐，采 用传递矩阵法研究失谐周期结构中的波动局部化特性。 硕仁学位论文第一蕈绪论 利用压电材料的压电特性实现叶盘结构振动控制是近年来研究较多的方法。 这种方法是利用压电材料的能量转化作用，使得系统能量能够在振动机械能与电 能间相珏转化，并通过一个与叶盘结构耦合的电路通道，将能量传递到整个结构， 从而降低能量聚集实现对失谐叶盘结构振动局部化的控制。一些学者研究了压电 被动控制电路m 3 、压电主动电路口列、压电主动一被动混合电路口城3 等形式的循环 周期电路系统对失谐叶盘系统振动局部化的控制作用。h a g o o d 和y o nf l o t o w n ” 首次系统地研究了压电无源分流电路对振动局部化的抑制作用，采用了一种压电 阻尼减振电路对单自由度机械系统的振动进行控制，并求得了振动控制效果最佳 的电路电阻、电感值。大量研究表明失谐循环周期结构的振动局部化程度与子结 构间的耦合强度有关，耦合强度越大，振动局部化程度越小。在这种思路的指导 下，g o r d o n 和h o ll k a m p 盯