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压电-记忆合金复合结构的强非线性动力学特性、优化及控制研究

压电-记忆合金复合结构的强非线性动力学特性、优化及控制研究

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作者：李乾鹏天津大学

学位级别：硕士

随着对机械振动控制精度要求的逐渐提升,基于新型智能材料对机械结构振动进行控制受到了越来越多的关注。压电材料是目前应用最为广泛的智能材料之一,可以根据外部电场的变化从而产生应变,这一特性被广泛的应用到了振动主动控制中。形... 详细信息

随着对机械振动控制精度要求的逐渐提升,基于新型智能材料对机械结构振动进行控制受到了越来越多的关注。压电材料是目前应用最为广泛的智能材料之一,可以根据外部电场的变化从而产生应变,这一特性被广泛的应用到了振动主动控制中。形状记忆合金材料也是一种应用较为广泛的智能材料,其有着较大的滞后阻尼特性,因此被广泛应用到了振动的被动控制中。我们将压电材料和形状记忆合金材料的优点结合起来,提出了一种新的压电-记忆合金复合结构,从而实现对机械结构振动快速精准的控制。本文提出了一种新的压电-记忆合金复合结构并进行了优化设计,然后在考虑形状记忆合金材料多场耦合滞后非线性特性的前提下引入了新的控制策略,从而实现了对系统结构振动更加快速精准的控制。本文结合理论、数值模拟以及有限元仿真的手段展开了研究,主要研究内容可以分为以下几个方面:(1)基于形状记忆合金材料的实验数据,采用改进的van der Pol非线性微分项建立了形状记忆合金材料的非线性滞后本构模型,应用SIMCA-P软件进行主成分分析从而得到了形状记忆合金的应力、应变、温度耦合关系,并以此为基础应用Hamilton原理建立了压电-记忆合金复合梁结构和复合板结构的非线性动力学模型;(2)应用Abaqus软件对形状记忆合金丝的直径、预应变、温度、数量和布置方案进行了优化设计,并对压电-记忆合金复合结构的振动响应进行了分析研究。通过对相同激励下振幅的变化进行分析对比得出了采用直径为1mm,施加9%的预应变,嵌入5条形状记忆合金丝,并采用中间1条,两侧各两条的布置方案,在室温状态时可以最大程度的发挥形状记忆合金丝的减振性能;(3)在压电-记忆合金复合结构的非线性动力学模型的基础上,引入全局快速Terminal滑模控制,基于压电材料的逆压电效应对系统进行了振动控制,并通过Matlab和Simulink进行了数值仿真。结果表明,该控制策略可以在实现快速抑制系统振动的同时保证振动控制的有效性。

关键词：压电材料形状记忆合金滞后阻尼非线性滞后模型全局快速Terminal滑模控制

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