考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景. 由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一. 为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法. 基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标. 优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法. 优化问题采用基于梯度的数学规划法求解. 数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.      

考虑压电驱动元件布局的作动器拓扑优化设计

工程中常需要设计各种各样的作动器以满足一定的驱动要求。本文采用拓扑优化的方法设计以压电材料为驱动的作动器。通过拓扑描述方法和RAMP（Rational Approximation of Material Properties）材料插值模型相结合的建模方式,建立了压电驱动元件布局与柔性机构构型协同设计的优化模型;以电压的...     

基于周期拼装的平面压电作动器结构拓扑优化

具有狭长形状的压电作动器有利于输出较大的位移,而采用周期拼装方式实现这类结构则具有制造成本相对较低的优点.本文提出了基于周期拼装的平面压电作动器结构拓扑优化设计的数学模型.其中,以位移输出点作功最大化为设计目标,考虑了材料体积和控制能耗约束,对结构基体材料和压电材料的分布以及控制电压的分布进行优化设计.本文给出了结构响...     

人工肌肉作动器的参数优化设计

由于电活性聚合物材料在电场作用下所表现出的许多独特的力电性能,如大应变、响应快、高能量转换率等特点,使得这种高分子智能材料引起了广泛关注,已被加工成作动器、传感器及俘能器等能量转换器,有望在工程领域发挥巨大作用.论文针对美国人工肌肉公司(Artificial Muscle Inc.)开发的一款电活性聚合物介电薄膜作动器的优化设计开展研究,主要研究了在外加力电载荷作用下,当薄膜发生面外轴对称大变形时,不同初始预拉伸即设计参数对薄膜厚度、拉伸变形、应力及薄膜中电场强度等的影响效应.该薄膜作动器有三个设计参数,结果表明,通过优化设计参数,在设计参数的某一组合下,薄膜的厚度、薄膜中的电场分布将趋于均匀,而薄膜的拉伸变形、应力并未呈现类似的均匀性.本文所提供的研究方法,可为此类作动器的优化设计提供基本的分析模式.     

双向变步长大位移压电作动器

提出一种基于蠕动式运动原理的新型双向变步长的大位移压电作动器,建立了该作动器的动力学模型。在30Hz作动频率下,采用MATLAB-SIMULINK软件进行了仿真。设计了含有高电压驱动器的作动器实验系统,作动器样机整体机构由嵌位部分、作动部分和轨道间距微调部分组成。研究结果表明,该作动器实际可提供±8mm的双向往返运动,实际作动曲线与计算机仿真结果在0.1μm级精度条件下吻合良好。     

振动控制作动器的数目和位置优化设计

提出一种确定作动器的数目和优化设计作动器位置的方法。以独立模态最优控制方法为基础,将模态控制力和作动器作动力处理为随机变量,建立了模态控制力能量的自相关矩阵和作动器作动力能量的自相关矩阵。进一步通过作动力能量的自相关阵包含的能量确定了作动器的数目,在此基础上,建立了基于控制系统作动力消耗能量最小,优化设计控制系统的作动器最优位置。通过数值算例证明了该方法的有效性。     

压电桁架作动器/传感器优化配置算法研究

针对自适应压电桁架结构振动控制,建立了作动器/传感器优化配置数学模型,并提出一种优化配置的新方法。为了减少结构分析次数,该方法将近似概念、对偶法和遗传算法相结合,首先采用多点近似技术建立原问题的序列近似问题,再对近似问题中的作动器/传感器位置离散变量和控制增益连续变量采用遗传算法和对偶方法分别寻优的分层优化策略。为了提高近似问题对原问题的逼近程度,本文提出一种适于离散变量结构优化的分段多点近似函数。算例表明本文方法能够以很少的结构分析次数得到最优解。     

一种新型压电作动器的设计及其特性研究

提出了一种新型压电作动器,这种作动器由一片压电片粘贴在一个弓型梁金属底座上构成.对其变形放大原理进行了理论分析,实验测定了这种压电作动器自由状态下输出变形随驱动电压变化曲线.推导了约束状态下该作动器的输出作动弯矩与驱动电压的关系式;实验测得了约束状态下其中点位移响应幅频特性曲线.实验结果表明本文设计的新型压电作动器与传统压电片作动器相比具有较大的变形输出,具有较宽的稳定工作频率范围,而所需的驱动能量与传统压电片作动器相同,同时在使用上具有可预制、安装方便、可拆卸、对结构表面适应性好等优点.     

基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制研究

本文主要研究了基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制方法并分析了控制力时滞对控制效果的影响规律。首先,对压电叠堆惯性作动器的动力学特性进行分析,建立了考虑惯性作动器动力学的主结构的随机动力学模型;接着,提出主结构随机振动线性二次高斯控制(linear quadratic Gaussian,LQG)方法,并探讨了作动器惯性质量和刚度等对控制效果的影响规律;最后,研究了控制力时滞对控制效果的影响,并提出了利用时滞优化控制效果的方法。研究结果表明,压电叠堆惯性作动器对结构的随机振动具有较好的控制效果,当控制时滞时间τ=0.025 s时控制效果可以得到进一步优化。     

主动控制用大输出力电磁作动器优化设计

采用将电磁作动器集成至气囊隔振器内部的方式能够很好地实现宽频隔振与线谱控制,但由于气囊内的空间有限,作动器在有限的空间内其体积要尽可能小的同时,还要输出足够大的主动控制力,这对主动控制用大输出力电磁作动器的优化设计提出了更高的要求。建立了电磁作动器的理论模型与漏磁模型;采用ANSYS有限元软件中的优化模块对电磁作动器进行了优化设计,并获得了符合结构尺寸与主动控制输出力要求的作动器;分析了电磁作动器的可控输出力与最大磁饱和密度随电流变化的关系。仿真结果表明,设计的电磁作动器在满足空间尺寸的前提下,通入6A交变电流时其输出的主动控制力能够达到646N,满足设计指标,有助于作动器的研制。     

考虑激励确定作动器优化布置方法的研究

作动器优化布置是振动主动控制中的一个重要问题。本文考虑了外部激励的作用,提出了一种与独立模态空间控制方法结合使用的作动器位置优化准则。为使系统具有最大可控度,依据被控结构动态响应中各阶模态贡献的大小,建立相应的目标函数通过求其极大值,可得出作动器优化布置方案。最后通过一个算例验证了所提出理论与方法的有效性,从算例中可以看出,作动器的优化位置与激振力的位置和频率有直接联系。     

基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制研究 1)

本文主要研究了基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制方法并分析了控制力时滞对控制效果的影响规律。首先,对压电叠堆惯性作动器的动力学特性进行分析,建立了考虑惯性作动器动力学的主结构的随机动力学模型;接着,提出主结构随机振动 "线性"二次高斯控制(linear quadratic Gaussian,LQG)方法,并探讨了作动器惯性质量和刚度等对控制效果的影响规律;最后,研究了控制力时滞对控制效果的影响,并提出了利用时滞优化控制效果的方法。研究结果表明,压电叠堆惯性作动器对结构的随机振动具有较好的控制效果,当控制时滞时间$\tau = 0.025$s时控制效果可以得到进一步优化。     

基于菱形压电作动器和内模控制策略的微振动隔振研究

提出了一种以菱形压电作动器为隔振元件,并结合内模控制策略的微振动主动隔振方法。首先设计并分析了菱形压电作动器,分析其力电耦合特性;以单自由度主动隔振系统为例,建立了隔振系统的动力学模型。在此基础上,设计了基于内模控制的主动隔振策略,进行了含有模型误差、迟滞等多工况的数值仿真分析。仿真结果表明,隔振位移传递率最大可达94%。菱形压电作动器结合内模控制策略的振动主动控制技术具有较好的隔振能力,为进一步微振动平台的主动隔振设计与实验研究奠定了基础。     

层叠式PVDF压电作动器及圆柱壳的振动主动控制

设计了一个层叠式PVDF压电作动器用于壳结构的振动控制。考虑压电层、粘接层、壳体耦合关系,推导了表面局部粘贴层叠式PVDF压电作动器的圆柱壳的振动控制方程,给出了作动力与压电层和粘接层层数、厚度之间的关系以及作动力与作动器粘贴位置之间的关系。针对一端固定、另一端自由的圆柱壳,进行了振动控制仿真。结果表明层叠式PVDF压电作动器作动力与作动器层数近似成线性关系,增大作动器层数能有效增大作动力,在低控制电压下能显著抑制圆柱壳振动,作动器周向不完全粘贴时,在径向产生的径向作动力对壳体横向振动控制非常有利。说明了层叠式PVDF压电作动器是一种可用于壳体结构振动并具有良好作动效果的作动器。     

考虑回转性能的三维结构拓扑优化设计

以考虑运动学性能的回转运动体材料最优分布问题为背景,提出并求解了转动惯量约束下的三维结构拓扑优化问题.常规的结构拓扑优化通常构造为给定材料体积约束下的结构最小柔顺性问题.本文指出,引入结构转动惯量约束对于回转结构的拓扑优化具有重要意义.本文将重量约束下的优化准则法计算格式拓广到单个转动惯量约束下的最小柔顺性问题,而对于包含转动惯量约束的多约束问题采用数学规划法求解.本文给出的数值算例验证了所提出算法的正确性,并且表明引入转动惯量约束后可得到与常规拓扑优化问题不同的结构布局形式.     

一种逆优化设计振动控制作动器的数目和位置的方法

在建立了悬臂梁上粘贴压电陶瓷片实现振动控制的动力学方程的基础上,研究了一种逆优化设计作动器/传感器的数目和位置的方法:用压电陶瓷作为自传感作动器,以悬臂梁的振动控制为研究对象,要求振动控制系统具有一定的模态阻尼比,并以作动器控制力最小为目标函数,优化设计作动器/传感器的数目和位置.最后通过数值算例证明了该方法的有效性.     

考虑弹簧阻尼作动器解析雅可比矩阵的多刚体动力学分析

弹簧-阻尼-作动器(spring-damper-actuator,SDA)是多体系统中常见的力元,在工程领域中有着广泛的应用.采用绝对坐标方法建立的多体系统动力学控制方程通常是复杂的非线性微分-代数方程组.为了保证数值解的精度和稳定性,通常需要采用隐式算法求解动力学方程,而雅可比矩阵的计算在隐式数值求解过程中至关重要.对于含有SDA的多体系统,SDA造成的附加雅可比矩阵是与广义坐标和广义速度相关的高度非线性函数.目前的很多研究工作专注于广义力向量的计算,然而对附加雅克比矩阵的计算则少有关注.针对含SDA的多刚体系统进行动力学分析,首先基于Newmark算法研究其在动力学方程求解中的雅可比矩阵的构成形式;然后推导SDA的广义力向量对应的附加雅可比矩阵,其中包括广义力向量对广义坐标和对广义速度的偏导数矩阵.最后通过两个数值算例研究附加雅可比矩阵对动力学分析收敛性的影响;数值分析表明:当SDA的刚度、阻尼和作动力数值较大时,SDA导致的附加雅可比矩阵对数值解的收敛性有重要影响;当考虑SDA对应的附加雅可比矩阵时,动力学分析可以以较少的迭代步实现收敛,从而减少分析时间.     

形状记忆合金作动器的设计及优化

采用Ｂｒｉｓｉｏｎ［１］等提出的ＳＭＡ材料的本构关系，分析了形状记忆合金作动器在三种热交换方式（自然冷却、强制冷却和采用半导体热泵技术）下的动力特性，同时研究了ＳＭＡ丝在恒载和载荷变化时对完成正逆相变所用时间的影响，并简单讨论了影响作动器响应的几个因素和改进方法     

考虑非概率可靠性的结构柔顺度拓扑优化设计

实际工程中广泛存在的不确定性可能对结构拓扑设计产生重要影响。基于不确定性的多椭球凸模型描述及非概率可靠性指标的定义,建立了材料体积约束和不确定参数范围约束下、结构柔顺度极小极大化为目标的非概率可靠性拓扑优化数学模型。结合移动渐进线方法,基于单循环策略实现该连续Minimax优化问题的求解。经典算例尺寸优化设计结果说明了...     

考虑时变刚度特性的复合材料微结构拓扑优化设计方法

理想的骨折内固定植入物在组织愈合或修复的过程中,其结构性能需要满足不同愈合阶段对生物力学的需求.提出一种对生物可降解复合材料微结构的时变刚度特性进行调控设计的拓扑优化方法,以达到理想的骨折内固定植入物特殊的时变刚度特性需求.使用具有不同降解速率和刚度的两种可降解材料,以相对密度作为设计变量来描述不同材料的分布,以特定降...