高速旋转柔性梁振动分析与智能控制研究

摘要

半个多世纪以来，旋转结构大量出现，并广泛应用于航空、航天等领域，其中绕自身轴线的旋转结构广泛应用于卫星的旋转支架、横轴旋翼机、机械轴等。旋转梁在高速旋转时，由自身的材料分布不均、外界扰动等原因引起的振动会引发飞行器的结构疲劳、安全性下降等问题，因此对此类旋转梁结构进行动力学分析及控制有着极其重要的意义。本文主要针对两端简支梁动力学模型进行了较为深入的研究，对压电作动器的动态性能、高速旋转柔性梁的动力学建模、有限元模型、模型降阶和振动控制进行了研究，并对旋转层合梁的热冲击响应及控制进行了研究。论文的具体研究内容如下：
　　（1）对压电材料在高电压激励下的非线性特性及一端固支双压电晶片元件在不同电压比的直流、交流激励下的柔度进行了研究。结果表明直流激励对压电作动器的柔度的影响较小，而在交流激励下表现出不同的特性，其柔度随着交流电的强度增加而增加，但不受频率的影响。在此基础上建立了一端固支双压电晶片元件受交流电压激励时的动力学方程，其动态刚度与实验测得的数据具有较高的吻合度，从而验证了理论模型的正确性。
　　（2）基于一阶近似理论对大变形下绕自身纵轴高速旋转的柔性梁进行了动力学分析。考虑了轴向与横向振动之间的耦合作用以及由偏心产生的离心力作用；采用 Hamilton原理导出了旋转柔性梁在恒定转速下动力学方程，并分别采用假设模态法及有限元素法对所得动力学方程进行分析，得出恒定转速下柔性梁一阶近似模型与零阶近似模型动力学响应。二者对比表明柔性梁在低速旋转时刚柔耦合项的影响较小，可以忽略，可采用零阶近似模型；而在高速旋转时刚柔耦合项的影响较大，不可以忽略，应采用一阶近似模型以得到较为精确的结果。
　　（3）采用压电分流控制方法对旋转柔性梁进行振动抑制，在分析旋转梁压电分流控制方程的基础上采用模拟退火算法对电路中的电阻、电感元件进行了优化。首先使用 Hamilton原理建立了绕自身纵轴旋转柔性梁的压电分流阻尼控制方程，推导了基于压电分流控制的压电分流系统传递函数。建立传递函数的优化模型,并基于模拟退火优化算法思想对目标函数进行优化。最后针对旋转梁压电分流电路优化进行数值计算与分析。仿真结果表明：压电分流阻尼系统可以很好地抑制柔性旋转梁振动响应；与遗传算法相比，模拟退火优化算法不仅可以取得更好的优化效果，且优化效率得到了极大的提高。
　　（4）针对绕自身纵轴高速旋转柔性梁系统，开展模型降阶和智能振动控制研究。采用内平衡模型降阶方法对系统有限元模型进行模型降阶，基于降阶模型提出模糊自适应整定PID控制算法的旋转柔性梁振动智能控制方法。研究表明内平衡模型降阶方法得到的降阶模型可以很好地逼近和代替原系统；与传统的PID控制器相比，基于降阶模型的模糊自适应整定PID控制器对旋转梁的振动抑制效果更突出，并能更好地改善系统的动态和静态性能。
　　（5）为了解决现有的压电作动器的输出较小及在旋转结构中布置等问题，研究无接触激励式压电作用堆振动控制方法。固定在旋转梁上的导线在磁场中作切割磁感线运动，产生的控制电压对压电作用堆进行激励产生弯矩从而对旋转梁进行振动控制。运用速度反馈控制方法、模糊自适应滑模控制理论设计了控制器。结果表明无接触激励式压电作用堆能够使旋转梁的横向振动较快地衰减并能够解决旋转结构中作动器布置困难的问题，验证了控制器的有效性。
　　（6）研究了两端简支高速旋转柔性梁在热冲击作用下的动力学响应和控制。采用Hamilton原理建立受到热冲击的旋转柔性梁的动力学方程，采用中心差分法对结构的动力学响应进行近似求解，并对热冲击状态下的热模态和频率进行研究。设计智能控制器，对旋转梁的热冲击响应进行振动控制研究。

目录

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注释表

缩略词

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 压电作动器研究现状

1.3 旋转柔性梁研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章压电作动器动态性能研究

2.1 引言

2.2 压电材料的非线性性能研究

2.3 压电作动器“放松”现象

2.4 实验验证

2.5 压电作动器动态刚度模型

2.6 结果与讨论

2.7 本章小结

第三章旋转柔性梁动力学建模与分析

3.1引言

3.2旋转柔性梁的结构建模

3.3旋转柔性梁的动响应分析

3.4旋转柔性梁的频率特性研究

3.5仿真算例

3.6本章小结

第四章旋转柔性梁的压电分流振动控制研究

4.1引言

4.2压电梁研究

4.3压电分流电路设计与分析

4.4分流电路的优化

4.5仿真算例

4.6本章小结

第五章旋转柔性梁的智能振动控制研究

5.1引言

5.2结构模型降阶研究

5.3 模糊自适应PID振动控制研究

5.4 基于压电堆的滑移模态控制研究

5.5 本章小结

第六章旋转柔性层合梁的热冲击响应及控制研究

6.1 引言

6.2 层合梁动力学分析

6.3 温度场及热响应分析

6.4 热冲击响应控制研究

6.5 本章小结

第七章总结与展望

7.1 工作总结与创新点

7.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

攻读博士学位期间参加科研项目情况