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本文突破了以往对智能结构振动控制的研究只针对几何形状和边界条件简单结构的局限性,基于ANSYS环境和APDL语言,实现了对复杂硬盘驱动臂结构的振动控制闭环有限元系统仿真。
首先介绍压电材料的压电效应和方程,对压电元件的性能特点和机电性质进行了阐述。然后利用ANSYS建立压电悬臂梁结构的有限元模型,对其驱动和传感特性进行了分析,同时解析分析了压电材料的作动和传感能力,分别推导出压电梁结构中压电作动器的力矩方程、轴向合力方程、以及压电传感器的电压和电荷密度方程。比较有限元与解析分析两种方法的结果,二者非常接近。此外还对压电悬臂梁驱动器位置进行优化设计。
针对压电智能板梁结构的振动,将反馈控制引入ANSYS环境,建立了基于APDL的振动反馈控制有限元系统。使得通过有限元方法研究控制器性能成为可能。首次提出了一种通用性、实用性强且效果显著的混合反馈控制方法。通过仿真算例,验证了此方法对于尺寸和厚度比较大的压电智能板梁结构振动控制的可行性,从而为工程结构振动的主动控制提供了一种新的途径。
硬盘驱动臂的振动会大大影响数据的读写精度和速度,研究其振动控制有重要意义。针对硬盘驱动臂结构的复杂性和特殊性,设计了三种不同位置的控制方式,并分别对其有限元模型进行进行闭环系统仿真,每种方式分别应用了比例反馈控制和恒值反馈控制两种控制方法。仿真结果表明,合适的控制方式和反馈控制方法可以有效地控制硬盘驱动臂的振动,根据仿真结果选择出了适用于硬盘驱动臂振动控制的最佳控制方式和最优反馈控制方法。
本文建立的振动反馈控制有限元系统可以很好地对某些形状复杂的智能结构的振动控制进行分析和数值仿真,在很大程度上近似于实际试验系统,能够显著减少压电智能结构设计过程中的实验费用,且对于复杂压电智能结构的动力学建模和控制器设计也有一定的借鉴意义。