压电智能悬臂梁结构振动主动控制仿真

为了提高LQR最优控制方法对压电类智能结构的振动控制效果,推导了表面离散分布压电元件的柔性悬臂梁结构的驱动和传感方程以及梁的弯曲振动方程,用模态分析方法对方程进行解耦和模型降阶,建立控制系统的状态空间方程。利用有限元分析方法来衡量压电元件对梁固有特性的影响,对状态空间方程的自振频率和振型函数进行修正,得到更为精确的数学模型。通过一悬臂梁的LQR最优控制仿真实例表明,经过模型修正后的最优振动控制效果更好。     

车身振动模糊控制仿真与实验研究

运用国内外振动主动控制方面的研究成果,结合汽车车身结构的特点,采用模糊控制策略对压电智能车身结构振动主动控制技术进行了研究和探索.将压电元件、控制系统和车身结构有机结合,利用外部能源提供的控制力减小结构在环境荷载作用下的反应,实现车身对外界激励的智能性响应.在白车身模态分析和模糊控制结构分析的基础上,建立了模糊控制规则,设计了仿真模型进行模糊控制仿真分析,并进一步通过轿车车身实验,证实了应用该控制策略对轿车车身结构振动控制是有效和可行的.     

采用压电陶瓷元件进行智能板振动控制

将分布的压电传感器／驱动器运用于智能板结构的主动减振控制中,分布的压电传感器能感知结构的局部应变状态,并通过控制回路反馈给驱动元件,构成闭环控制。建立了智能板闭环控制的分析模型,揭示在应变率反馈下,主动控制的机理是增加了结构的阻尼。用两对压电陶瓷元件仿真了柔性板的闭环控制,获得了令人满意的结果。     

压电元件在智能结构中的选位及有限元分析

通过对压电薄板的特性分析,建立压电薄板结构的数学模型,并对压电元件在压电智能结构中的布置进行了分析和阐述.通过有限元仿真的方法,进行了模态分析和动态响应分析,进一步阐述了压电元件位置对压电控制效果的影响.     

柔性结构振动控制的初步分析与试验研究

采用智能结构的原理和方法,对压电元件用于柔性结构振动控控制的有关问题进行了初步探讨。对压电驱动器与结构的匹配关系进行了理论分析,对模态传感－驱动器对在柔性悬臂板结构中的布置数量和位置进行了优化设计,并对结构振动进行了控制试验,验证了该方法的有效性。     

主动构件等效机电耦合动力学模型及其特性研究

介绍了一种采用压电元件作为致动器和传感器的集成式智能主动构件。提出了一种将复合静态刚度和无网格相结合的方法,基于力学等效思想,利用虚功原理和Galerkin方法建立了主动构件的等效机电耦合动力学模型,并对该模型进行了数值仿真,验证了该模型的正确性;另外,对该构件的致动特性和传感特性进行了仿真分析与实验研究,结果表明：该压电智能主动构件具有输出位移大、驱动电压低、稳定性高以及传感特性良好等优点,适用于空间大型柔性结构的振动主动控制。     

含多个压电元件智能悬臂梁的横向振动特性

本文以含多个压电元件的悬臂梁为例,基于Bernoulli-Euler梁的阶梯折算法,结合压电智能悬臂梁段的等效弹性模量理论,计算了多个压电元件的悬臂梁的固有频率和振型,并与有限元和等截面梁的计算结果进行比较。计算分析表明,压电材料尺寸和位置变化对智能悬臂梁结构的横向振动特性具有显著的影响,分析结论对高速飞行器结构设计和主动振动控制中压电元件的优化布置有实用价值。     

压电自适应振动控制结构的一体化设计

将压电自适应结构的振动控制性能指标、结构质量和固有频率作为目标函数,结 构尺寸参数和控制系统的反馈增益阵中的元素同时作为设计变量,采用独立模态空 间方法,对压电自适应振动控制结构进行了一体化设计。     

智能结构中压电材料厚度的设计

研究了在振动控制中压电元件和主结构体之间厚度的匹配关系。通过对智能复合材料的分析,得出了对称粘贴、功能不对称的压电元件所感受的有效弯矩,给出了压电元件产生最大弯矩时的最佳厚度,并讨论了材料弹性模量的影响。     

基于压电自感作动器的振动主动控制系统研究

介绍了压电自传感作动器电学物理模型,分析了传统的桥路法在提取结构振动信号时所存在的问题,进一步提出了将最小二乘均方(Least Means Squares,简称LMS)自适应算法同时应用于压电自传感作动器传感与激励信号间的动平衡分离以及压电智能结构振动的主动控制,并从理论上进行了证明。软、硬件仿真试验结果表明：采用基于LMS的自适应算法可实现压电自传感作动器传感与激励信号完全地、不失真地分离以及压电智能结构振动的实时抑制。该策略原理简单,易于在智能结构振动主动控制、结构的健康监测中得到广泛应用．具有一定的实用价值和工程应用前景。     

超声振动显微切割工具的设计与研制

将超声振动切割引入生物显微操作领域,提出压电超声振动微切割理论.基于此理论,为满足实际操作中不同显微切割样本对不同切割能量即不同振动频率和振动幅值调整的需求,利用叠堆压电陶瓷作为超声发生装置,研制了面向生物显微操作的微切割工具及其驱动与控制系统.该显微切割工具操作频率0.5～40 kHz,振动输出位移0～2 μm.最后,针对肝脏组织病理切,利用该显微切割工具进行超声振动显微切割实验,获得了较好的切割效果,充分验证了生物组织切片超声振动显微切割可行性.该显微切割工具的研制为生物显微切割操作系统的研究开发提供了技术保证.     

压电阵列径向分布的二维振动能量采集器

为了有效采集多个方向的振动能量,本文提出了一种圆柱形的压电阵列径向分布的二维(2D)振动能量采集器。通过将柔性弧形压电阵列径向分布在圆柱体上,该采集器可以收集到二维(2D)平面内任意方向的振动能量。同时,引入了角度带宽来描述采集器获取二维振动能量的能力。实验结果表明:这种新型结构采集器的角度带宽接近180°;而且,通过把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件进行反向串联,采集器的最大输出电压可以达到11.6V;当把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件反向并联时,最大输出功率达到13.5μW。与传统的悬臂式压电振动能量采集器相比,该二维(2D)采集器具有更好的多方向振动能量采集性能。     

蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟,结果表明,该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性,进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验,得到的实验结果与理论分析基本吻合,说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验,结果表明,通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,其在20～34Hz有较大的功率输出,且最大输出功率达到了约2.3mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围,易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。     

MEMS低频压电振动能量采集器

设计了基于微机电系统（MEMS）的一阶、二阶传动低频压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能来解决低频（小于200 Hz）振动环境中的能量采集问题。一阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁及压电悬臂梁,二阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁、二阶传动梁及压电悬臂梁。数学建模及有限元分析显示：采集器工作频率随一阶、二阶传动梁及压电悬臂梁材料的杨氏模量的减小均呈单调递减的趋势;传动梁的设计可有效降低采集器的高阶工作频率、拓宽工作带宽;而二阶传动梁可以在1g加速度条件下,获得10.98 Hz和44.52 Hz两个超低频率的电压峰值（分别为3.18 V/g和1.33 V/g）,使系统工作频率降得更低,50 Hz以下的有效工作带宽更宽,更适合与低频振动环境匹配进行能量采集。     

MEMS复合式振动能量采集器

介绍了一种结合了压电式能量采集与静电式能量采集原理的复合式振动能量采集器。其结构通过有限元分析软件的优化设计,得到了期望的低频共振频率。为了预测这个复合式振动能量采集器的性能,建立了解析模型,在此基础上使用MATLAB/SIMULINK进行了数值模拟。模拟结果显示,在某些特定的频率范围内,这种复合式振动能量采集器能够提供比其他两种能量采集器更高的输出功率。对于固有频率为282 Hz的器件结构,仿真发现复合式设计的输出功率可达4.85 μW,两倍于电容式设计的输出功率2.11 μW。     

Semi-active vibration control using piezoelectric actuators in smart structures

The piezoelectric materials, as the most widely used functional materials in smart structures, have many outstanding advantages for sensors and actuators, especially in vibration control, because of their excellent mechanical-electrical coupling characteristics and frequency response characteristics. Semi-active vibration control based on state switching and pulse switching has been receiving much attention over the past decade because of several advantages. Compared with standard passive piezoelectric damping, these new semi-passive techniques offer higher robustness. Compared with active damping systems, their implementation does not require any sophisticated signal processing systems or any bulky power amplifier. In this review article, the principles of the semi-active control methods based on switched shunt circuit, including state-switched method, synchronized switch damping techniques, and active control theorybased switching techniques, and their recent developments are introduced. Moreover, the future directions of research in semi-active control are also summarized.     

圆弧螺旋型压电振动能量收集系统的设计

为了实现低频、多方向能量收集和高输出性能,提出了一种圆弧螺旋结构的压电能量收集系统。 该圆弧螺旋压电能量 收集系统不仅可以降低谐振频率,减少系统体积,而且圆弧型悬臂梁具有不对称性,因此可以进行多方向收集。 理论分析不同 弧度下能量收集系统的应力分布、谐振频率以及输出性能。 加工制备了 2π、3π 和 4π 圆弧螺旋压电振动能量收集系统并进行 了性能测试对比。 研究结果表明,4π 圆弧螺旋压电能量收集系统具有更好的输出性能,谐振频率为 47 Hz,输出电压达到 23 V, 输出功率达到 353 μW。 该圆弧螺旋压电振动能量收集系统可应用于人体健康检测、环境控制系统、嵌入式系统、军事安全等应 用领域。     

悬臂梁振动自适应模糊控制及DSP实现

以粘贴压电自感作动器的悬臂梁为研究对象,推导了悬臂梁振动主动控制的压电元传感方程和作动方程的传递函数,给出了压电自感作动器位置配置优化方法,设计了硬件电路以及软件流程.试验结果表明,利用压电自感作动器和模糊自适应控制器可有效地抑制悬臂梁振动.     

基于简支梁振动的主动控制技术研究

振动主动控制技术正成为解决航空航天等领域振动控制问题的有效手段.压电材料由于其质量轻、响应速度快等优点在振动主动控制领域中占据了相当重要的位置.为验证其可行性,将简支梁简化成三自由度系统,建立了简支梁的运动微分方程和状态空间方程,基于独立模态空间控制法(IMSC)设计了系统的控制律.对简支梁在初始扰动和持续激励下的振动...     

基于压电式传感器的强夯振动测试分析(英文)

以山西大学城某新校区工程场地为例,对该场地强夯振动影响以及隔振沟的隔振效果进行了测试,对比了有无隔振沟工况下强夯振动对周围建筑物的影响,研究了不同夯击能下强夯振动在黄土地区填方地基中的衰减规律及如何确定强夯施工安全距离,提出了该场地的加速度和振源距的定量关系。通过与现有标准、规范的规定进行比较,分析得出了强夯施工振动对相邻建筑物影响的评价方法。监测结果表明,隔振沟在强夯施工中减振效果好,隔振沟对强夯振动水平速度的衰减幅度高达75%,且在6 000kN·m夯击能下,强夯安全距离为30m。