撓電-壓電智能結(jié)構(gòu)的力電耦合、分布式傳感與控制研究.pdf

1、傳感器、作動器、控制器與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的智能結(jié)構(gòu)技術(shù)已逐步成為航空航天等領(lǐng)域?yàn)樵鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)能力、提高性能的一個重要手段。壓電智能結(jié)構(gòu)以其體積小、響應(yīng)快、頻帶寬等特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。撓電材料具有無需預(yù)處理、取材范圍廣、使用簡便等特點(diǎn)，避免了預(yù)極化過程及退極化和老化問題。撓電和壓電效應(yīng)的結(jié)合可增強(qiáng)機(jī)電耦合強(qiáng)度，彌補(bǔ)壓電效應(yīng)的缺點(diǎn)與不足，有望在結(jié)構(gòu)傳感與控制發(fā)揮重要作用。
　　本文通過引入應(yīng)變梯度-電場和電場梯度-應(yīng)變耦合能，基于哈密

2、頓原理提出并建立了撓電/壓電雙曲率殼連續(xù)體及薄、厚殼的力電耦合動力學(xué)模型。闡明了撓電效應(yīng)對力電耦合殼連續(xù)體的影響。通過向經(jīng)典壓電和彈性連續(xù)介質(zhì)理論的退化，驗(yàn)證了該理論模型的正確性。結(jié)合簡化規(guī)則，給出了幾類典型結(jié)構(gòu)的撓電/壓電耦合動力學(xué)方程。提出了正交曲線坐標(biāo)系下的正/逆撓電效應(yīng)的矩陣表述。
　　建立了基于撓電效應(yīng)的分布式傳感模型，給出了開/閉路條件下一般殼結(jié)構(gòu)的撓電傳感信號通用表達(dá)式。基于懸臂梁及圓環(huán)開展了撓電和壓電的傳感特性分析

3、與比較，分別給出了各自傳感特點(diǎn)及有效應(yīng)用場合，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感信號的影響。
　　提出了點(diǎn)層式撓電作動層，開展了基于逆撓電效應(yīng)的懸臂梁靜態(tài)形變研究。給出了撓電控制力的解析表達(dá)，研究了懸臂梁在撓電作動器下的控制效果。通過撓電與壓電作動控制效果的比較，驗(yàn)證了撓電作動器對結(jié)構(gòu)靜態(tài)形變控制是有效的。撓電作動器較適合于針對局部微小范圍的精密控制，且更具靈活性和智能性。
　　提出了基于開路電壓模型的實(shí)驗(yàn)測試方法，測得了等效撓電傳感

4、系數(shù)，驗(yàn)證了該開路電壓模型方法用于研究撓電效應(yīng)的可靠性。開展了撓電分布式傳感實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于撓電效應(yīng)的分布式傳感理論的正確性。研究了撓電分布式傳感的頻率響應(yīng)特點(diǎn)，證明了撓電傳感有較寬響應(yīng)頻帶。
　　為實(shí)現(xiàn)拋物柱殼結(jié)構(gòu)的主動振動控制，提出了壓電層合拋物柱殼智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。分析了簡支邊界條件下的動力學(xué)行為，給出了具有解析表達(dá)的新模態(tài)函數(shù)。研究了拋物柱殼結(jié)構(gòu)表面壓電傳感/作動片的傳感/作動響應(yīng)和性能特征，給出了壓電分布式傳感片的傳