光致形状记忆壳智能结构的多场耦合与振动控制研究

摘要

智能结构将智能材料作为传感器和作动器直接作用结构本身，与电子控制模块一起构成分布式控制系统，可以提高系统的集成度、控制精度及可靠性。薄壳结构在航空、航天、机械等领域中应用广泛。由于薄壳结构的质量轻、柔性大，振动难以迅速衰减，因此薄壳结构的振动控制非常重要。光致形状记忆聚合物具有密度小、变形大、变形过程中温度变化小、非接触式控制的特性，是一种非常有应用前景的新型智能材料。光致形状记忆作动器通过光弹耦合效应作用于薄壳结构，可以改变薄壳结构的刚度并进行振动控制。
　　本文研究光致形状记忆聚合物的光弹耦合效应，根据不同类型材料的作动机理，基于化学动力学理论对光致形状记忆聚合物的本构关系进行建模，最终建立了通用的本构关系模型，同时对无初始应变和有初始应变两种情况，给出本构关系的具体表达式。本文合成了含有螺吡喃的光致形状记忆聚合物材料，制备光致形状记忆聚合物试样，测量了材料的吸光度等基本参数及性能，对试样进行紫外光照射下的单轴拉伸和双轴拉伸实验。测量了作动器在无初始应变状态下杨氏模量随光照时间变化的特性，及有初始应变状态下应力随光照时间变化的规律。根据实验结果验证本构关系模型的正确性。
　　对光致形状记忆层合薄壳结构的应变和应力进行分析，基于哈密顿变分原理，建立光致形状记忆层合薄壳结构的光弹耦合动力学方程。将动力学方程简化到光致形状记忆层合开口圆柱壳、圆锥壳及开口圆环壳结构，验证动力学模型的正确性。通过模态叠加法推导了光致形状记忆薄壳结构的独立模态控制过程，以及光致形状记忆作动器的模态控制力。
　　基于光致形状记忆聚合物在无初始应变时的杨氏模量变化特性，对光弹耦合结构的固有频率进行控制。分别选取一维悬臂梁结构和二维圆柱壳结构作为研究对象，通过层合圆柱壳理论对圆柱壳在光照下的固有频率改变过程进行分析，将层合圆柱壳的动力学模型简化到层合悬臂梁结构，根据欧拉梁理论分析悬臂梁的固有频率。为了拓宽光致形状记忆作动器的频率控制范围，设计了变长度作动器，通过层合阶梯梁理论对悬臂梁结构的固有频率进行研究。制作光致形状记忆作动器弹性梁结构，通过实验验证作动器对悬臂梁结构的固有频率控制效果。
　　利用光致形状记忆聚合物的形状记忆特性，对圆环壳结构和抛物柱壳结构进行独立模态振动控制。研究光致形状记忆作动器对圆环结构在简谐激励下的振动抑制效果。针对光致形状记忆作动器的非线性特征，采用相位偏移法和神经网络控制两种方法，通过控制光强的手段提高作动器对圆环振动控制的效果。根据光致形状记忆作动器易于成型和施加初始应变的特点，设计二维剪切式光致形状记忆作动器。分析光致形状记忆作动器在抛物柱壳结构表面的模态力分布情况，对抛物柱壳的自由衰减振动进行控制。
　　本论文通过建立光致形状记忆薄壳耦合结构的动力学方程，并将光致形状记忆作动器应用于薄壳结构的固有频率控制和振动控制，为智能结构的分布式控制提供了一种新方法。

目录

声明

致谢

摘要

符号表

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容

第2章 光致形状记忆薄壳结构的动力学模型

2．1 引言

2．2 光致形状记忆聚合物作动机理

2．3 光致形状记忆聚合物本构关系模型

2．4 本构关系实验验证

2．5 光致形状记忆薄壳结构动力学方程

2．6 光致形状记忆薄壳结构动力学模型的简化

2．7 光致形状记忆薄壳结构独立模态控制

2．8 本章小结

第3章 基于光致形状记忆效应的频率控制

3．1 引言

3．2 光致形状记忆圆柱壳结构动力学模型

3．3 光致形状记忆悬臂梁结构动力学模型

3．4 光致形状记忆悬臂梁及圆柱壳结构频率控制仿真

3．5 单面粘贴光致形状记忆作动器的悬臂梁动力学模型

3．6 悬臂梁结构频率控制实验

3．7 本章小结

第4章 光致形状记忆圆环结构的振动控制

4．1 引言

4．2 光致形状记忆圆环结构理论模型

4．3 神经网络控制算法

4．4 圆环结构独立模态振动控制仿真

4．5 本章小结

第5章 光致形状记忆抛物柱壳的振动控制

5．1 引言

5．2 光致形状记忆抛物柱壳动力学模型

5．3 二维光致形状记忆作动器实验

5．4 光致形状记忆作动器的模态控制力分布

5．5 抛物柱壳结构的振动控制仿真

5．6 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读博士学位期间所取得的科研成果

个人简历