压电智能板致动器动力控制特性的有限元模拟

利用有限元法对高精度磁头定位控制系统中拟采用的压电双晶片智能板型致动器的动力控制特性给予了定量模拟。将压电双晶片分别粘贴于基底钢板上下表面形成层合板，对其在恒定的平行电场作用下的机电耦和致动特性进行了分析，基于压电本构方程、经典层合板理论和Hamilton原理，推导出具有压电传感器及致动器的层合板机—电耦合动力方程。通过应用负速度反馈控制算法，对板的变形与振动控制的特性进行了数值分析，建立了相应的定量分析模型和计算程序，结果表明：本文的控制系统是有效的。     

压电智能板振动主动控制有限元模拟

文章由线弹性压电层合结构有限元动力方程,进一步推导了压电智能结构的主动控制方程;采用三维八节点实体耦合单元模拟压电致动器/传感器,运用ANSYS参数化语言(APDL)建立了压电智能板结构的有限元模型,并进行模态分析,将系统耦合有限元动力方程转化为模态坐标下的系统状态空间方程;考虑了离散分布式压电致动器/传感器对于主结构...     

梁振动控制中压电作动器的位置优化准则

以输入的控制信号能量最小为目标,提出了梁结构振动控制中压电作动器的位置优化准则,基于压电片层合简支弹性梁的模态振动方程,给出了反映各压电作动器上控制电压与模态控制力之间关系的控制电压影响系数的表达式;详细推导了控制信号能量的表达式,并根据控制能量最小的准则对压电作动器的位置进行优化,数值分析中,对梁结构的振动控制过程进行系统仿真,比较了相同衰减时间下压电作动器位于梁表面不同位置时系统输入能量的大小,数值模拟所得的最优位置与理论结果非常吻合,验证了该准则的正确性。     

智能机械结构的拉伸-弯曲模型

利用虚功原理,建立了一种智能机械结构单面粘贴有压电致动器的梁结构的拉伸弯曲耦合模型,在分析过程中,考虑了梁与致动器之间粘贴层的影响·通过分析可得,粘贴层剪切应力的分布与致动器端部附近的应变分布有相似的特征·随着粘贴层的剪切模量的增加或其厚度的减小,则剪切力在靠近压电致动器端部区域迅速增大·     

压电智能薄壁结构电致材料和几何非线性建模与分析

随着压电智能薄壁结构在航空航天领域的广泛应用,对计算模型准确性的要求也越来越高.压电智能结构在强致动电压下会同时发生电致材料非线性和几何非线性,为了给压电智能薄壁结构的设计和应用提供更准确的模型,基于一阶剪切变形假设,同时考虑压电材料非线性本构关系以及多种几何非线性理论(包括冯卡门非线性、中等转角非线性以及大转角非线性),建立了压电智能薄壁结构在强致动电压下的几何非线性有限元模型,并通过已有研究的实验数据验证了模型的准确性.最后,基于电致材料非线性和不同几何非线性模型,进行了平板结构和半圆形压电壳体结构的仿真和分析,显示了同时考虑电致材料和几何非线性的必要性.     

复合材料自适应结构中压电作动器的位置设计

采用灵敏度分析方法,研究了复合材料板壳型自适应结构中压电作动器的位置设计．通过分析各位置上压电作动器对结构各部分的控制灵敏度,获得压电作动器最佳控制效率的位置序列,并据此布置压电作动器．以不同边界条件下板梁结构的动力学响应抑制和准静态变形控制为例,进行了数值验证,证明此方法所得结果正确．该方法原理简明、计算效率高,可为板壳型自适应结构的作动器铺层位置设计和控制电压分布设计提供依据．     

压电陶瓷在车身板件振动主动控制中的应用研究

针对汽车车身低频振动不易控制的问题,将压电陶瓷作为传感/致动元件,主动控制车身板件的振动变形,以抑制或消除车身板件的低频振动。根据致动器控制力分析和车顶棚模态分析的结果,提出了压电传感器和致动器同位对称布置的方案。采用模糊控制算法,设计了振动主动控制器,并搭建了车顶棚振动主动控制实验台。独立模态振动控制试验结果表明,采用压电陶瓷智能结构对车顶棚振动进行主动控制后,压电传感器检测到的电压降低了14%～23%,即有效控制了车顶棚的低频振动。     

带粘结层智能结构压电作动器的修正点力模型

在有压电应变作动器的具有振动主动控制功能的智能杆梁结构中,考虑了粘结层的影响,并且假设应变沿各层的厚度方向为线性分布.对Crawley-Luis与Euler-Bernoulli所建立的压电作动器点力模型进行了修正,提出了一种更具一般性的诱导应变作动器的点力模型,分别导出了双面对称粘贴和单面粘贴压电作动器时的修正点力模型的计算公式.并进行了计算机仿真研究,表明了修正模型的合理性.修正点力模型更具一般性,这对设计压电智能结构具有指导意义.     

智能梁弯曲形状的主动控制

研究了具有离散分布压电控制器的智能梁,在外加电场作用下弯曲形状与压电元件外加电压之间的关系,建立了智能梁的弯曲形状进行了主动控制的方法,得到了各离攻分散分面压电元件控制电压的解析解,并给出了算例。     

面向智能轴承自供电系统的压电-摩擦复合式振动能量采集器

针对智能轴承外圈径向开槽结构中以电池供能的状态监测设备存在应用场合受限的问题，提出了一种适用于智能轴承自供电系统的压电-摩擦复合式振动能量采集器。该能量采集器以带双质量块的三角形单晶压电悬臂梁为基础，在悬臂梁的振动方向上有机集成兼具限位功能的摩擦纳米发电机，实现了振动和限位碰撞过程中压电-摩擦电两种模式的复合协同发电，有效利用了空间并提高了输出性能。同时，利用集中参数法建立了能量采集器的机电耦合动力学模型，通过COMSOL软件分析了不同结构与尺寸对压电悬臂梁固有频率和输出电压的影响，并通过试验验证机电耦合动力学模型与仿真分析的准确性。试验结果表明：所提能量采集器能够在0～28.2 m/s²的智能轴承正常工作振动加速度范围内有效工作；在加速度为2 m/s²时，该采集器的压电和摩擦电单元开路输出电压最大峰峰值分别可达1.28 V和1.05 V;在加速度为20 m/s²时，该采集器的压电和摩擦电单元开路输出电压最大峰峰值分别可达2.85 V和1.18 V。     

智能结构的若干问题与进展

阐述了智能结构的基本概念及研究意义,介绍了国内外在智能结构方面的研究现状,重点讨论了以压电材料为基础的压电智能结构的组成,压电致动器及压电传感器的布置方式,压电智能结构的分析方法及压电智能结构的优化等问题,最后对智能结构目前要解决的问题和今后的研究方向作了展望。     

主动约束层阻尼结构的振动控制

基于弹性、粘弹性和压电材料的本构关系,利用Hamilton原理,推导了主动约束层阻尼板的有限元动力学模型。结合压电材料的机电耦合特性,采用自感电压的位移和速度反馈,对主动约束层阻尼板进行了闭环振动控制,研究了不同控制增益条件下,主动约束层阻尼板的动态特性。研究结果表明:采用自感电压的比例、微分反馈控制,能有效控制约束层阻尼板的振动,增大振动能量耗散,尤其对频率共振峰有明显抑制作用。由于该方法结构简单,容易实现,有很好的工程应用前景。     

压电叠层作动器迟滞特性模型

压电叠层作动器是智能主动杆的关键部件,迟滞非线性是影响其控制应用的重要方面。在对迟滞特性进行分析的基础上,根据压电叠层作动器的工作特征,采用修正经典Preisach模型对压电作动器的迟滞特性进行建模,以预测压电作动器的位移输出,并进行了相应的实验分析。与随机电压序列的实测输出结果进行比较,该模型的误差范围小于2μm,明显优于线性模型,能更准确地预测作动器的位移输出,为实现精密的作动控制提供了可能。     

压电薄膜微致动器的制作和有限元分析

为实现高密度硬盘驱动器磁头的精确定位,设计和制作了一种与不锈钢基体粘结的压电薄膜微致动器。该致动器中的锆钛酸铅多层膜元件采用溶胶凝胶技术制作而成。对该致动器进行了实验测试和有限元分析。结果表明:当采用双层膜结构时,压电微致动器的位移/驱动电压灵敏度和谐振频率分别达到了1.396μm/±20V和15.13kHz;有限元仿真结果与实测结果基本吻合。     

压电致动器系统迟滞特性分析及影响

为了适应微动隔振平台自适应控制的要求,提高系统响应速度,对隔振平台系统的执行元件——压电致动系统进行了迟滞特性分析。为避免系统各部分间迟滞量混淆,将压电致动系统分为驱动电源和致动器两部分,首先根据Maison等效电路分析了驱动电压的迟滞量,然后综合考虑压电堆和机械结构的动态特性。在对压电致动器整体动态建模的基础上得出了系统输出位移-电压的迟滞量表达式,由表达式分析了影响迟滞的六个因素及影响。为高精度压电驱动系统的设计、控制系统的优化提供了依据。     

硬盘用压电厚膜微致动器的制作及有限元分析

设计、制作并分析了一种用于高密度硬盘磁头精确定位的新型压电厚膜微致动器.采用流延技术制备PMN-PZT多层膜元件,使用丝网印刷工艺制作Ag/Pd内电极,并对其进行了有限元建模和仿真.仿真结果表明,当采用4层结构的压电厚膜微致动器时,在外加电压±30 V的条件下,可以实现0.921 6 μm的悬臂自由端位移和19.638 kHz的谐振频率.     

智能桁架结构振动阻尼控制研究

研究利用压电主动构件实现智能桁架结构阻尼控制的技术．控制方法采用局部积分力反馈,将压电主动构件的弹性内力经积分器反馈,以此获得施加于压电主动构件上的驱动电压,达到智能桁架结构闭环阻尼控制的目的．这种控制方法具有良好的稳定性和鲁棒性．通过一个空间桁架结构的控制实验,结果表明,该控制方法是有效的,可获得较大的结构模态阻尼．     

水下结构声主动控制压电传感器/作动器布置研究

研究了板水下声辐射主动控制时压电传感器/作动器的布置问题.基于声振耦合理论,在低于临界频率情况下对结构模态和声极子的相互关系做了深入的分析,建立了板波数和辐射声功率间的关系,并据此提出了模态抑制和模态重组方法相结合的压电片布置方案.结合有限元/边界元数值计算方法,对所提出的压电片布置方案进行了结构辐射声功率控制的定量计算.与应变理论和角落单极子理论相比,基于声振耦合理论的压电片布置方案在高频段给出了更好的辐射声功率控制效果,同时所需要的控制作动电压相对大幅下降.     

压电片位置和大小对板振动控制的影响

文章基于现代控制理论选用结构控制能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR法,利用单对压电片对各种支撑条件下的板进行结构振动的主动控制;讨论了压电片位置和大小对控制效果的影响;提出了关于压电片位置和大小优化的基本观点。     

压电柔性臂的传感器/致动器优化配置与振动主动控制

以欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli)悬臂梁为模型,对压电柔性臂系统的传感器/致动器的优化配置和振动主动控制问题进行推导,简化了智能压电柔性臂系统的动力学方程和压电传感/致动方程,并建立了系统状态空间表达式.从传感器/致动器对相应模态的贡献出发,给出一种考虑模态权重的目标函数,并采用遗传算法对同位配置时的传感器/致动器的优化配置进行研究.基于优化布局结果在柔性臂上黏贴压电致动器和传感器,建立模糊逻辑控制器,对柔性臂在自由衰减和持续激励的情况下分别进行振动主动控制实验.实验结果表明柔性臂在两种激励下的振动均得到到了有效抑制,所提出的优化配置方法和模糊控制策略是可行的.