压电曲壳结构动力形状控制及优化设计

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:knightxmu
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随着电子机械、航空航天以及医疗器械等领域的快速发展,对智能材料和智能结构的主动控制系统的研究具有越来越重要的意义。压电材料作为智能材料的一种,由于其可操作性能优异、反应迅敏等特点,适用于结构尤其是需要较高控制精度结构的形状及振动控制,通过压电材料实现对结构不同的形状控制成为众多学者关注的焦点。特别是对于需要考虑荷载环境变化或外形姿态调整要求的结构设计,静力形状控制已经不能满足工程需求,动力形状控制的研究近年来开始出现。另外,曲壳结构常见于很多工程领域,而目前的形状控制大多采用平壳结构,应用于曲壳时,将带来计算成本和控制成本的增加,因此本文研究了利用压电作动器控制结构的动力形状及优化问题。  首先,本文对表面粘贴压电作动器的曲壳结构,给出了八节点空间曲壳单元的有限元列式,用约束方程连接主壳结构和压电作动器,形成了含压电曲壳作动器的结构动力有限元方程;以时变的结构理想形状和控制形状之间的位移方差最小化为控制目标,考虑作动器电压作为控制变量,结合Newmark积分方法推导了结构动力形状控制方程的时域离散表达式,并引入Kuhn-Tucher条件进行求解,得到压电作动器上各个单元的最优电压,实现压电曲壳作动器对结构的动力形状控制。  然后,在空间曲壳单元基础上,将基体材料由单层各向同性材料拓展到各向异性复合材料,根据分层分析理论对层合曲壳沿厚度方向分段积分求解单元刚度阵,推导了压电层合曲壳结构的有限元列式。利用Newmark积分与Kuhn-Tucher条件实现了压电层合曲壳结构的动力形状控制。  最后,针对压电结构动力形状的优化问题,其一,将作动器的厚度和控制电压同时作为设计变量,构建了分层次的优化模型:内层利用前述方法得到优化电压,外层利用模拟退火算法优化作动器尺寸。通过分别将作动器厚度作为连续设计变量与离散设计变量,实现压电层合曲壳结构动力形状控制的尺寸优化。其二,将作动器数目作为优化目标,对压电层合曲壳结构的动力形状控制问题进行作动器配置优化,获得作动器的最优分布。
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