轉動ACLD懸臂板的動力學建模及振動控制.pdf

1、轉動懸臂板的振動分析與控制是機械工程領域中的一個重要課題，許多航空航天結構，如直升機旋翼、葉輪機和渦輪發(fā)動機葉片、衛(wèi)星天線以及太陽能帆板等，都可以簡化為轉動的懸臂板模型。對于薄板結構，基于主動約束層阻尼(ACLD)結構的振動控制是一種典型的混合控制技術，具有良好的智能性和魯棒性。對于作定軸轉動的主動約束層阻尼柔性板，結構的動力特性會隨轉速的變化而發(fā)生變化，出現(xiàn)“動力剛化”現(xiàn)象。此外，粘彈性材料的剪切模量也會隨溫度和頻率的變化而變化，壓電

2、材料又存在著機電耦合效應。因此，論文通過對作旋轉運動的ACLD柔性板建立較為準確、合理的剛-柔耦合動力學方程，揭示系統(tǒng)的動力學特性，并通過模態(tài)辨識方法和控制理論進行系統(tǒng)模型辨識、仿真與實時振動控制，研究旋轉ACLD柔性板的動態(tài)行為控制。 圍繞這些問題，論文從理論和實驗兩個方面對繞定軸轉動的主動約束層阻尼懸臂板的動力學建模及其振動控制進行了較為全面的研究。論文主要完成了以下幾個方面的工作： 1.論文總結了有關剛-柔耦合動力

3、學建模、主動約束層阻尼振動控制的大量文獻，對它的應用背景、研究意義、國內外的研究現(xiàn)狀、已有的研究成果以及存在的問題作了較為全面的論述，在此基礎上對懸臂結構的剛-柔耦合建模理論及主動約束層阻尼的振動主被動控制進行了更深入的研究。 2.論文在已有文獻的基礎上，結合第二類Lagrange方程和有限元方法推導了作自由運動矩形薄板的剛-柔耦合動力學方程，通過算例得到了繞定軸轉動的矩形懸臂(復合)板的動力學特性，比較了不同轉速、不同長寬比以

4、及纖維方向對(復合)板動態(tài)特性的影響，并對理論模型的正確性進行了驗證。 3.論文將粘彈性材料的GHM模型與工程上常用的有限元方法結合在一起，通過引入耗散坐標，避免了反復迭代求解模態(tài)參數(shù)及響應。GHM模型的參數(shù)通過復頻域內的非線性曲線擬合確定，最終轉化為具有約束條件的非線性優(yōu)化問題，并編制了相應的非線性優(yōu)化程序。 4.論文建立了繞定軸轉動的主動約束層阻尼矩形板的剛-柔耦合動力學模型。建模過程中充分考慮了剛-柔耦合作用、壓電

5、材料的機電耦合效應以及粘彈性材料的本構關系。推導出繞定軸轉動的主動約束層阻尼矩形板的有限元方程，并對其模態(tài)特性及振動控制進行了數(shù)值仿真計算，為實驗研究奠定了理論基礎。 5.論文采用基于輸出的時域隨機子空間辨識方法對系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)進行辨識，獲取了密頻系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。對傳統(tǒng)的穩(wěn)定圖方法進行了改造，模態(tài)參數(shù)穩(wěn)定性隨參與計算的數(shù)據(jù)量的增加而變化，并在穩(wěn)定圖中引入可以表示各階模態(tài)貢獻量大小的分量能量指標，作為判斷參數(shù)穩(wěn)定性的判據(jù)之一。通過

6、數(shù)值仿真給出了密頻系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)辨識結果，并與有限元計算結果進行了比較，結果顯示子空間辨識方法具有較高的辨識精度，通過辨識得到的模態(tài)參數(shù)能夠反映原系統(tǒng)的固有特性。 6.論文采用子空間辨識方法，對繞定軸轉動的ACLD柔性懸臂板進行模型辨識，并利用均衡降階方法對辨識的模型進行降階，得到了可用于結構振動控制的最小可觀可控模型，直接用于控制器的設計。仿真算例表明所提方法及模型是有效性的、可靠的。 7.為了驗證剛-柔耦合動力學模型

7、的正確性，論文設計了用于運動控制和振動控制的實驗平臺(這部分工作得到了國家自然科學基金項目(N0.10672099)的資助)。利用運動控制系統(tǒng)，可以模擬各種轉速下懸臂板的運動狀態(tài)，同時，振動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對結構的振動控制。結果表明，實驗平臺可以用于驗證各種旋轉狀態(tài)下的結構模型，而基于速度反饋的振動控制能夠有效抑制結構振動。 論文首次對繞定軸轉動的主動約束層阻尼矩形懸臂板的剛-柔耦合動力學建模及其振動控制進行了較為全面的研究。針

8、對實物對象-繞定軸轉動的主動約束層阻尼板建立了有限元模型，通過模型辨識和降階得到了用于控制的可觀可控模型。在此基礎上，論文設計了運動控制及振動控制實驗平臺，利用驅動器及其運動控制模塊對伺服電機進行控制，模擬各種旋轉狀態(tài)，并為作旋轉運動的主動約束層阻尼矩形薄板設計了速度反饋控制器，建立了基于DSP控制板的結構振動實時控制系統(tǒng)。作旋轉運動的主動約束層阻尼矩形薄板在各種轉速下的頻率響應和振動控制的實驗結果表明，所建的剛-柔耦合動力學模型具有實