压电薄板的建模和阻尼的准独立模态控制

导出压电薄板的传递函数模型,建立起压电结构与一般结构模态控制的类比关系。基于此,结合实验研究,提出“准独立模态控制”方法,能在尽可能简单的硬件条件下逼近独立模态控制目标。多模态阻尼控制实验进程和结果表明了它的有效性和实用性。     

双周期分布式压电分支阻尼对失谐叶盘振动抑制作用分析

将压电分支电路引入失谐叶盘结构，形成机电耦合系统，给出了机电耦合系统动力学方程的推导过程，并从理论上研究了压电分支阻尼对失谐叶盘结构响应放大的抑制效果.通过构造双周期分布式压电分支电路，研究了双周期分布式压电分支阻尼对失谐叶盘结构的振动抑制效果，并与单周期压电分支电路进行了对比，对比结果显示压电分支阻尼（包括单周期压电分支阻尼以及双周期分布式压电分支阻尼）均能有效降低随机失谐叶盘结构的响应放大，其中双周期机电耦合系统响应放大因子统计分析结果小于1的概率在99.7%以上，基本消除了失谐叶盘结构的响应放大现象.通过合理地设计系统的双周期模式，能够获得比单周期更好的失谐响应放大抑制效果.此外，压电分支阻尼使得随机失谐叶盘结构的失谐“阈值”现象消失，提高了叶盘结构的失谐鲁棒性.      

“定制”与“广义”概念下的指尖密封结构优化

 为了获得高性能的指尖密封结构型式，根据指尖密封的结构组成特点，提出了“定制”型线和“广义”型线概念下的指尖密封结构优化策略，以及反映指尖密封基本组成特征和具有“单元叠加”功能的最小优化单元。通过采用统一优化法和分步优化法对两类指尖密封结构的多目标优化问题进行了优化分析，研究结果表明，“定制”型线指尖密封结构优化和 “广义”型线指尖密封结构优化的策略和方法，可以达到同步降低指尖密封迟滞率和综合刚度的多目标优化目标，是获得具有良好综合性能的指尖密封结构的有效途径。从工程意义上讲，“广义”型线指尖密封结构优化技术更具选择指尖密封性能优化取向和程度的优势。     

压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响

首先通过引入气动影响系数,建立了振动相关气动力与系统振动位移成比例的线性模型。基于此导出了叶盘结构气弹耦合的线性振动方程。接着在叶盘结构中引入压电网络,建立了流 机 电耦合动力学方程；并采用集总参数等效模型研究了压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响,对流 机 电耦合系统的特征值问题进行求解,获得了可作为系统气弹稳定性判据的模态气动阻尼比。研究表明,压电网络可以有效改善叶盘结构主要振动形式——节径型振动的气弹稳定性；通过对压电网络中电学参数进行优化设计,可以在较宽范围内提高叶盘结构的颤振边界；压电网络对弯曲振动模态气动阻尼的改善效果优于弯扭耦合振动模态。      

压电元件在悬臂梁振动被动控制中的实验研究

应用阻尼技术提高结构系统的阻尼是一种十分有效的振动控制方法。根据压电元件的压电效应及其具有的电容特性，设计压电吸振器，即根据被控结构，设计RLC谐振回路，把机械结构的机械能通过回路中的电阻热能消耗掉，达到吸振的效果。用实验方法对两种谐振方案进行验证分析，得到一些指导性的结果。     

抑制直升机“地面共振”的优化设计

 本文研究抑制直升机“地面共振”的设计问题,根据控制理论中极点区配置与优化设计思想,提出了满足预定要求的系统刚度与阻尼参数的优化设计方法,并根据直升机“地面共振”的基理,提出了有效的设计方案。本文还以常见的三种计算模型作为算例,结果都是满意的。     

等离子喷涂压电陶瓷涂层的基础研究

介绍了用等离子喷涂技术制备压电陶瓷涂层的工艺过程;用扫描电镜和Ｘ射线衍射仪分析了涂层的显微结构和相结构,测试了该涂层的压电应变常数;探讨了电弧电流对涂层成分、结构和电性能的影响。     

非周期压电阻尼对失谐叶盘结构振动局部化抑制机理

将非周期压电阻尼技术引入失谐叶盘结构形成机电耦合系统,推导了机电耦合系统的动力学方程,从理论上分析了非周期压电系统对失谐叶盘结构振动局部化的抑制效果。构造了两种非周期压电系统模型:非周期压电分支模型和非周期压电网络模型。研究结果表明:与双周期压电网络系统相比,按照能量集中的程度不同连接而成的非周期压电系统具有更好的振动局部化抑制效果。在非周期压电网络系统的构造中,电阻不再是关键因素,而主要是通过电路形式改变整个叶盘结构中的能量分配情况,电感作为储能元件在其中至关重要。通过合理设计非周期压电网络电路形式,可以得到比非周期压电分支系统和双周期压电网络系统更好的振动局部化抑制效果。      

交叉剪切混合层中拟序结构的数值研究

采用拟谱方法对时间模式的交叉剪切混合层进行了直接数值模拟。计算结果表明:与平面混合层一样,展向涡的拉伸作用是交叉剪切混合层中流向涡形成的主要机制。当展向剪切强度较大时(如两主流交叉角为40°),与初期展向KelvinHelmholtz相关的单向旋转流向涡在拉伸作用下很快增长起来,并“坍缩”成“肋状”涡。当交叉角为40°时,涡核区存在类似平面混合层中“方块状”涡的流向涡结构,展向涡辫区还存在一组符号相反的流向涡,不过与“肋状”涡对应的涡结构呈扁平状,始终没有“坍缩”。当交叉角为60°时,“肋状”涡非常强,以致完全抑制了平面混合层“对称模式”的发展。当交叉角小到20°时,流向涡结构更接近于对称分布,然而“肋状”涡却没有形成。另外,计算结果还证实:与二维混合层相比,大强度展向剪切的引入能够加强流场的混合,同时,适当增加展向扰动波初始强度和波数也是提高混合效率的有效手段。     

基于拓扑优化的叶盘压电阻尼器性能研究

针对压电分支阻尼技术在航空发动机叶盘结构振动抑制问题中的应用,提出了一种拓扑优化方法,可给出限定用量的压电材料在轮盘上的最佳位置,以提升压电分支阻尼的上限。在轮盘上布置压电材料还可防止对叶片通道内流场的影响,避免降低流体效率。首先,论述了该拓扑优化方法的原理,推导了模态机电耦合系数这一核心参数的计算公式及其与最佳阻尼比、模态应变场的关系。其次,建立了基于模态应变场的压电材料分布拓扑优化方法,可用于任意有限元模型。最后,将该优化方法应用于一个航空发动机压气机叶盘结构模型,分别针对单一和多阶模态进行了压电材料在轮盘上分布的拓扑优化,研究这种铺设方式对各典型模态(轮盘主导、叶片主导、耦合振动)的振动抑制效果。结果表明,在仅采用占轮盘质量5%的压电材料的情况下,优化后的压电阻尼器最多可以为轮盘振动主导模态及叶片-轮盘耦合振动模态提供约13%的模态阻尼比,为叶片主导模态提供的模态阻尼比集中在2%～4%。     

压电作动器用于振动主动控制技术的研究

 从理论和实验两方面分析了利用压电作动器进行柔性结构振动主动控制的机理，从能量的角度对施加控制时悬臂梁自由衰减振动的阻尼比进行了理论计算，得出了主动阻尼比与反馈增益之间的关系。建立相应的实验系统，对上述关系式进行了实验验证。     

智能桁架结构局部力和速度复合反馈振动控制研究

研究利用压电主动构件实现智能桁架结构振动阻尼控制的技术。控制策略采用局部积分力和局部速度复合反馈,将测量的压电主动构件弹性内力和两端节点的相对速度,经控制器放大复合后得到压电主动构件的驱动电压,实现智能桁架结构阻尼控制的目的。这种控制方法具有良好的稳定性和鲁棒性。通过一个空间桁架结构的振动阻尼控制实验,结果表明该控制方法是有效的。     

垂尾抖振响应的鲁棒-FxLMS主动控制试验

针对垂尾模型低阶模态抖振响应的主动控制问题,设计鲁棒控制器对次级通道进行反馈式阻尼补偿,建立了多模态的RFxLMS控制器,采用宏纤维复合材料压电作动器,开展了垂尾抖振响应压电主动控制的地面模拟试验。试验结果表明,RFxLMS控制器具有收敛速度快、控制效果好的优点,并且相比于单独的FxLMS控制器或鲁棒控制器,对垂尾抖振响应具有更好的控制效果。进一步开展了垂尾抖振响应主动控制的风洞试验。结果表明,RFxLMS控制器在多个试验工况下均有稳定的控制效果,并提升了控制系统的性能,垂尾抖振受控响应的RMS值比无控响应的RMS值降低了39.7%~48.1%。     

阻尼系统的振动分析

 本文讨论粘性阻尼线性系统的振动问题。阐述了复模态理论,用它分析了系统自由振动的特性。并用状态空间法讨论了系统的脉冲响应矩阵和传递函数矩阵,分析了它们的响应特性和共振的概念。     

压电驱动器用于薄板型结构振动主动控制研究

对一个带有压电铺层的悬臂层合板进行了振动主动控制的分析和试验。不但采用了速率反馈 ,还用现代控制理论的设计方法研究了最优控制问题 ,设计了相应的数字式控制试验系统 ,进行了试验验证 ,并对 2种控制律的结果进行了比较。同时还研究了机电耦合刚阵的影响。     

带机体状态反馈的直升机地面共振分析

建立了带机体状态反馈的直升机旋翼/机体耦合动稳定性分析模型,研究了机体反馈系数对直升机地面共振的影响。根据Floquet理论采用传递矩阵法计算了系统的模态频率及模态阻尼,并用非线性模型的数值仿真进行了验证。结果表明,机体滚转角位移和角速度反馈能有效地提高摆振后退型模态阻尼;但当机体滚转姿态角反馈系数过大时,以挥舞后退型模态为主的旋翼挥舞与机体运动之间相互作用,导致直升机出现动不稳定性。     

用于叶片减振的压电材料分布拓扑优化

提出一种可用于实际叶盘结构的压电分支阻尼器拓扑优化方法,可以给出总质量受约束的压电材料在叶片上的最佳分布,达到尽可能大的模态阻尼比。通过理论推导说明:压电阻尼器所产生的模态阻尼比仅取决于模态机电耦合系数,且该系数只与压电材料的几何形状以及模态应力场有关。进一步结合压电本构关系,基于应力分量的线性加权给出了有限的压电材料在叶片上铺设位置“优先级”的判断指标。给出了基于叶盘结构有限元模型的压电材料拓扑优化方法,通过替换单元类型和材料参数的方式对压电材料进行布置,并给出了多模态族优化、极化方向设置、电极铺设等问题的解决方案。在一个接近真实的叶盘模型上应用了此优化方法。结果表明,仅使用质量占叶片质量10%的压电材料,就可以为多个模态提供约12%的阻尼比。      

弹性飞行器操纵机构最优位置的确定

本文研究了弹性飞行器操纵机构最优位置的确定。在具有速率反馈的控制系统中,把控制作用看作等效阻尼,推导了由气动弹性效应所决定的舵面最优位置准则,给出了表征舵面位置与陀螺位置协调关系的公式。附有实例验证。     

几种压电网络用于叶盘结构减振的机理分析

针对几种有望用于叶盘结构等循环对称结构减振的压电网络技术开展机理研究。为说明能量耗散及能量平衡两种不同的机理对减振、抑振效果的影响,基于集总参数模型对带有分支、并联网络、串联网络3类电路的叶盘结构开展了数值研究。对比了3类电路在谐调和失谐叶盘上所能达到的最佳减振效果及其随着失谐强度变化的规律,展示压电网络中能量耗散机理的作用。在非周期压电网络中加入了电阻,讨论了两种机理的共同作用。还给出了非周期压电网络最佳连接方式选择的定性建议。研究发现:将所有压电片连接到同一个网络并不能显著增加阻尼性能。在失谐叶盘上找到了无任何电路元件且只含少量叶片的非周期压电网络的最佳连接形式,说明了能量分配机理的作用。可以做到只将少数叶片连入网络(例如24个叶片中的2个或4个),无需加入任何电路元件就可以达到降低失谐响应放大效应的作用。     

智能桨叶的实时模型与复合自适应振动控制

研究了智能桨叶的实时模型、控制方法与控制器的实时实现。首先,采用MX滤波器实现了对桨叶动态特性的实时在线模拟,给出了该滤波器的系数与所描述的受控结构模态参数之间的相互关系。接着,提出了一种新的复合自适应控制方法,它综合了自适应前馈控制和反馈控制的特点,实现了对桨叶阻尼和振动响应的控制。最后,在所建立的以高速信号处理器为中心的实时数字仿真系统上,实现了对单频、双频及变频、变幅值谐和激励下桨叶振动的控制,获得了良好的振动控制效果。