基于ANSYS的压电陶瓷PLZT特性仿真分析

针对传统的解析法和有限元法在压电陶瓷分析中的弊端,采用有限元软件ANSYS对压电陶瓷掺镧锆钛酸铅(PLZT)进行特性分析.介绍了大型有限元分析软件ANSYS及其耦合场分析功能,建立了PLZT的ANSYS模型用于分析单片、叠层和双晶片型PLZT的静动态特性.单片PLZT的输出位移与所加电压和外力载荷均成线性关系;叠层结构的输出位移因粘结层的变形而小于理论输出值;双晶片变形的ANSYS计算结果同理论分析很相近.进行压电器件分析时,可先通过ANSYS软件建立实体模型,设定几何尺寸和材料特性参数进行性能仿真,并且针对不同器件只需修改参数,程序通用性好.      

智能太阳翼动力学建模与模态分析

研究柔性航天器的动力学与控制问题时,通常需要利用柔性附件的模态信息。为获取航天器的高精度姿态控制,必须解决柔性附件的振动抑制问题。配置压电传感/作动器是解决太阳翼振动控制的有效手段。针对基板表面粘贴压电传感/作动器的太阳翼,基于一阶剪切变形层板理论,建立了包含机电耦合效应对结构刚度贡献的有限元模型,并在连接机构等效梁单元中引入了轴向载荷。利用假设剪切应变方法解决了一阶剪切变形层板理论的剪切闭锁问题。仿真结果表明:太阳翼的动力学特征随压电传感/作动器配置方式的改变而改变;连接架轴向载荷可以大幅提高太阳翼的侧摆振动频率;给压电作动器施加控制电压可以增加太阳翼的结构阻尼。     

压电悬臂梁振动能量收集仿真与试验验证

基于压电陶瓷的振动能量收集器以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点受到广泛关注。利用压电陶瓷的正压电效应,根据机电理论和结构动力学理论,采用模态法建立了压电悬臂梁的双向耦合分布参数模型,仿真分析了外激励频率和外接负载对压电能量收集器输出电压特性的影响,设计制作了铝制悬臂梁,并进行了地面振动和能量收集试验,试验结果与理论仿真吻合较好,验证了理论建模的正确性。试验结果表明,单个压电片的能量收集电压最大为73 V/N。     

SMARC变形控制及神经网络建模

在复合材料层板中偏离中性层的位置铺设镍钛形状记忆合金丝,然后通电加热镍钛丝,使其在形状回复过程中产生巨大的回复力,从而使层板结构发生弯曲变形.由于形状记忆合金的非线性以及合成的智能材料结构的应力、应变分布和形状变化规律都非常复杂,尝试引入人工神经网络来建立以可控参量(电流强度)为输入变量、易测参量(稳态挠度)为输出变量的模型,所建模型的预测数据与实验数据之间符合得较好,相对误差小于9%.      

Digital simulation model piezoelectric cantilever design and analysis of beam smart elements

针对在薄壳结构上层合压电传感器与作动器的智能结构系统进行振动控制问题,提出了一种专用的数字电路化智能元仿真模型进行振动特性分析的新方法.以压电悬臂梁系统为例,利用有限差分方法将主体结构、压电传感信号及压电控制力矩的动力学偏微分方程转化为智能元差分方程;建立基于Newmark-β积分方法的智能元数学矩阵模型;在DSP数字电路系统上设计智能元仿真系统;对不同差分密度和积分时间步长下系统各个模态的输出特性进行了分析,并与相关文献中采用不同控制方法的模拟电路仿真结果进行了比较,取得了更精确的结果.该方法为压电结构系统的振动特性仿真分析提供了新途径.     

压电悬臂梁智能元数字仿真模型设计及分析

针对在薄壳结构上层合压电传感器与作动器的智能结构系统进行振动控制问题,提出了一种专用的数字电路化智能元仿真模型进行振动特性分析的新方法.以压电悬臂梁系统为例,利用有限差分方法将主体结构、压电传感信号及压电控制力矩的动力学偏微分方程转化为智能元差分方程;建立基于Newmark-β积分方法的智能元数学矩阵模型;在DSP数字电路系统上设计智能元仿真系统;对不同差分密度和积分时间步长下系统各个模态的输出特性进行了分析,并与相关文献中采用不同控制方法的模拟电路仿真结果进行了比较,取得了更精确的结果.该方法为压电结构系统的振动特性仿真分析提供了新途径.     

一种柔性铰链对铰接板振动特性影响试验研究

针对用于连接小型航天器和太阳能帆板的一种弹簧刚度可调的柔性铰链，研究铰链刚度和铰链转动副的摩擦与铰接结构中阻尼对柔性铰接板系统振动响应的影响.首先，建立了压电柔性铰接柔性板试验平台，采用压电片传感器和激光位移传感器检测，压电片驱动器用于持续激励振动.然后，在柔性铰链扭转刚度不同的情况下，分别进行了外部激励和持续压电驱动器激励的柔性铰接板振动模态分析的实验研究.实验结果分析表明，柔性铰链的刚度和旋转副摩擦阻尼因素，会影响柔性铰接板系统的基频振动固有频率和阻尼比.实验研究结果为分析柔性铰接板的铰链影响特性提供参考.     

多向气动驱动器软体仿生舌弯曲状态的研究

以软体仿生舌为研究对象,针对多向驱动器的变形机理,开展了面向软体仿生舌的单/多向驱动器的弯曲特性研究。首先,设计了气动驱动软体仿生舌,其在单/多向驱动器的作用下可实现吐舌、翻舌、卷舌以及斜翻舌等动作;其次,为进一步研究驱动器的变形机理,开展了针对单/多向驱动器的结构及变形工作原理的研究;然后,基于Yeoh模型应变能密度函数,结合力平衡方程,建立了驱动压强和驱动器弯曲变形后曲率半径的非线性数学模型;最后,为验证理论模型的正确性,开展了软体仿生舌的仿真研究及相关实验验证,结果证明了理论模型的正确性。上述研究为其他基于气动驱动的软体结构变形机理的研究提供了理论基础。      

挠性梁振动控制中敏感器/致动器的优化配置

依据压电敏感方程和压电致动方程 ,给出了粘贴有若干压电片的挠性梁的数学模型 ;基于结构模态在可控可观性子空间上的正交投影 ,提出了压电敏感器 /致动器位置的优化设计方法 ,并将可控和可观格莱姆矩阵作为加权矩阵反映可控可观的测度。仿真计算结果表明 ,采用优化的压电敏感器 /致动器能够有效抑制悬臂梁的振动     

压电陶瓷晶片受迫振动分析及其应用

从基本压电方程出发,推导了压电陶瓷晶片面内受迫振动计算公式,并结合共振实验,提出了一种直接测量压电陶瓷晶片压电常数的方法.与传统的压电常数测量方法相比较,本方法具有许多优点.由于减少了中间环节,测量结果的精度也得到了提高.      

压电智能梁振动控制中致动片优化布置与实验

对压电智能梁振动控制中压电致的动片的大小与位置进行了优化研究。首先导出了这种系统的机电耦合的压电传感方程和压电致动方和压电致动方在于致动器的模态影响矩阵。给出了一个用于压电致动片大小、位置与数量优化的简单实用的优化准则。仿真结果表明,优化布置的压电致力可非常显著的降低控制所需能量。     

压电自适应桁架结构主动控制模型及实验

为提高结构对外部环境的抗干扰能力,构造了压电柔性自适应桁架结构,并对其主动控制进行了研究.由传感器、作动器与柔性梁组成压电自适应桁架结构.基于自适应结构的机电耦合理论,在测量位移的情况下,采用改进的二次积分力反馈控制方法研究了空间压电柔性自适应桁架结构的振动主动控制问题.建立了压电柔性自适应桁架结构主动控制实验系统,并对这类自适应结构进行了实时计算机振动主动控制实验研究.实验研究表明柔性自适应桁架结构能够改善结构的动力学特性,对外界的干扰具有良好的自适应性.     

压电层合板自适应结构的静力变形控制

针对板壳型自适应结构,研究了使用压电材料的层合板结构的静力变形控制.基于有限元法,计算出结构位移的灵敏度矩阵;利用该矩阵,建立位移控制方程组.当作动器数量与控制位移相同时,可解线性方程组,求出控制电压;当作动器数少时,采用优化方法求解,由此计算各作动器的控制电压,对自适应结构的静力变形,进行最优控制.算例比较了不同的控制情况.     

自适应压电桁架形状控制中作动器优化配置

以压电作动器为控制元件,建立了自适应桁架形状控制基本方程.考虑结构性状约束和电压限制,建立了以作动器位置和控制电压为设计变量,以形状精度、控制能量和作动器数目的加权表达式为目标函数的作动器优化配置数学模型.由于作动器和普通杆具有不同的单元刚度,作动器每一种不同的位置配置都会导致结构总刚度矩阵的变化,因此单独采用遗传算法需要进行大量的结构计算.为了减少结构分析次数,提出了多点近似、遗传算法和二次规划相结合的优化方法.算例结果表明本文方法具有很高的求解效率.      

智能结构动力系统控制器设计和结构优化的综合分析

通过由两个压电作动器控制的空间桁架,将最优控制问题和结构中杆件截面积动态优化相结合,综合分析了二者的混合优化问题.计算结果表明,在结构动态响应特性不变的条件下,结构重量和控制需求均有显著下降.      

压电周期板中耦合禁带影响规律分析

近年来,利用周期结构中弹性波禁带特性减振的研究思路受到了广泛关注。针对以往周期结构难以实现宽频且可调禁带的问题,设计了一种含电路网络的压电周期结构。该结构中的弯曲波和电路网络中的电波通过压电效应可以产生一个较宽的耦合禁带,且通过调整电路参数就可以达到调节禁带位置的目的。首先,为了高效计算该结构的波动特性,开发了适用于压电周期结构的减缩波有限元算法,该算法可以在保证结果准确性的基础上节约90%以上的计算时间。利用该算法研究了压电材料尺寸和形状对耦合禁带性能的影响。结果表明:相同电学参数下,随着压电片尺寸的增大,耦合禁带向低频移动,且禁带带宽增加;相同面积下含圆形和方形压电片的机电系统内耦合禁带差异较小,即形状对耦合禁带的分布影响不大。其次,针对不同尺寸和形状的机电系统,设计了电学参数使得在同一频率附近产生耦合禁带,并分析了其性能差异。最后,为了证明耦合禁带的减振效果,设计了一种有限压电周期板模型,其强迫响应的结果证明了耦合禁带对结构内弹性波可以进行有效调控。      

柔性自适应桁架及其振动最优控制实验

基于dSPACE系统和所研制的锆钛酸铅(PZT)压电作动器,建立了第一阶频率低达5Hz的三棱柱自适应桁架实验平台,通过有限元建模和实验参数修正,利用异位加速度反馈信号进行了线性二次型Gauss(LQG)最优反馈控制实验和仿真.结果表明:对比无控状态,采用最优控制只需很小控制电压,可使桁架在低阶典型频率激励下的振幅降低90%以上;而当桁架受扰动后,振动衰减时间减少超过80%;验证了实验平台配置的合理性和所研制的PZT压电作动器、控制模型的有效性;控制数值仿真与实验在加控前后振幅抑制程度相同,控制仿真与实验中振幅衰减过程的差别通过激振过程仿真与实验的对比得到了阐明.     

大力值精密机械力源的研制

运用"平面二次包络弧面蜗杆传动"技术,研制出一种"轴向可调隙蜗轮蜗杆传动付",将它应用到力源动力传动的伺服减速机构中,驱动精密滚珠丝杠上的动横梁来完成对参考力传感器的粗加载。运用物理学中的"逆压电效应"原理,采用压电陶瓷材料和专门的工艺方法制作的力传感器微变形补偿装置——压电陶瓷力调节器,并将它应用到力源的精加载闭环控制中,实现了大载荷下参考力传感器微小力值变化的精确控制,研制出的大力值精密机械力源最大负荷为3 MN。     

TiNiFe形状记忆合金高温应力松弛稳定性

对形状记忆合金管接头来讲,应力松弛对在服役条件下的管接头影响更大,因此,系统地研究航空用形状记忆合金管接头在服役条件下的应力松弛的稳定性具有重要的现实意义.研究了TiNiFe和TiNiNb两种管接头用形状记忆合金在不同温度条件下的应力松弛稳定性.试验在美国880型100KN-MTS实验机上进行,通过试验得到2种合金的应力松弛曲线,结果表明,TiNiFe和TiNiNb形状记忆合金在高温下,都具有很好的稳定性.TiNiNb形状记忆合金在300℃时的应力松弛稳定性稍好于TiNiFe形状记忆合金.但是,TiNiFe形状记忆合金所承受的载荷比TiNiNb形状记忆合金要高.温度对形状记忆合金高温稳定性存在很大的影响,但其对应力松弛不同阶段的影响程度不同.