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压电智能结构在航空航天、精密仪器、微型机电系统及土木工程等领域具有广泛的应用前景,属于减灾防灾的前沿问题。目前对压电智能结构分析方法与设计理论的研究还存在一些不足。本文研究压电智能结构分析的新方法,主要内容包括三部分:(1)压电智能梁性能分析;(2)压电智能结构变形最优控制;(3)压电智能粱振动主动控制。建模方法采用智能样条有限点法和智能QR法;变形最优控制算法采用一阶优化算法;振动主动控制算法采用样条加权残数法。算例结果证明了本文方法的正确性和有效性。本文取得的研究成果不仅具有重要的学术价值,而且具有非常重要的工程应用意义。
本文的主要工作如下:
1、压电智能梁性能分析的新方法。以智能梁理论为基础,利用智能样条有限点法建立压电智能梁性能分析模型,用C语言编制了压电智能梁性能分析的计算程序,并计算了大量算例。主要内容包括:(1)纯压电梁性能分析;(2)双压电晶片梁传感与驱动性能分析;(3)压电智能层合梁性能分析。通过分析得出了影响压电智能梁传感与驱动性能的内在因素,即压电智能材料的材料属性,为压电驱动器与传感器的选择提供了参考依据。与解析解和有限元软件ANSYS结果进行了比较,证明了本文方法的正确性和优越性。
2、压电智能梁变形最优控制的新方法。利用智能样条有限点法建立压电智能梁变形最优控制分析模型,采用一阶优化算法,用C语言编制了压电智能梁变形最优控制的计算程序,并进行了系统分析。主要内容包括:(1)压电驱动器位置优化;(2)压电驱动器尺寸优化:(3)压电驱动器层数优化:(4)压电驱动器与传感器布置形式优化;(5)压电智能梁变形闭环反馈最优控制;(6)压电智能梁变形灵敏度最优控制;(7)压电智能梁变形满意控制。通过分析得出了压电传感器与驱动器的优化设计方案,实现了考虑平整性要求和电压约束的压电智能梁变形最优控制。算例结果说明了本文方法的正确性和有效性。
3、压电智能框架变形最优控制的新方法。以智能梁单元理论为基础,利用智能QR法建立压电智能框架变形最优控制分析模型,采用一阶优化算法,用C语言编制了压电智能框架变形最优控制的计算程序,并进行了系统分析。主要内容包括:(1)压电智能框架变形闭环反馈最优控制。利用智能QR法建立智能框架变形控制的反馈增益控制方程,考虑平整性要求,考虑电压约束,采用一阶优化方法求解最优增益系数,实现了框架变形的闭环反馈最优控制。(2)压电智能框架变形灵敏度最优控制。利用智能QR法建立智能框架变形控制的位移灵敏度矩阵,考虑平整性要求,考虑电压约束,采用一阶优化方法求解最优驱动电压,实现了框架变形的灵敏度最优控制。算例结果说明了以上方法的正确性和优越性。
4、压电智能梁振动主动控制的新方法。利用智能样条有限点法建立压电智能梁振动主动控制分析模型,主动控制算法采用样条加权残数法,用C语言编制了压电智能梁振动主动控制的计算程序,并进行箅例分析。主要内容包括:(1)压电梁自振特性分析。分析了压电层开路与闭路状态、压电层厚度、压电层覆盖长度及压电驱动器不同布置等因素对压电粱自振特性的影响。(2)压电梁振动控制。采用比例反馈控制规律,样条加权残数法求解,实现了不同驱动器布置下压电梁振动的有效主动控制。(3)压电梁模态控制。采用独立模态控制规律,基于压电驱动器位置优化的最大模态力准则,样条加权残数法求解,实现了对压电梁前六阶振动模态的有效控制。算例结果证明了本文方法的正确性和有效性。
本文的分析方法和所得结论为以下研究提供有力的分析工具和有益的参考:智能材料科学研究与应用、智能结构系统控制研究与应用;航天航空领域空间站、飞行器、太空天线等的变形控制研究与应用:微型电子系统、精密仪器等的变形控制研究与应用;工程结构中柔性结构的变形控制研究与应用。