本文選題：高速旋轉　切入點：柔性梁　出處：《南京航空航天大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：半個多世紀以來,旋轉結構大量出現(xiàn),并廣泛應用于航空、航天等領域,其中繞自身軸線的旋轉結構廣泛應用于衛(wèi)星的旋轉支架、橫軸旋翼機、機械軸等。旋轉梁在高速旋轉時,由自身的材料分布不均、外界擾動等原因引起的振動會引發(fā)飛行器的結構疲勞、安全性下降等問題,因此對此類旋轉梁結構進行動力學分析及控制有著極其重要的意義。本文主要針對兩端簡支梁動力學模型進行了較為深入的研究,對壓電作動器的動態(tài)性能、高速旋轉柔性梁的動力學建模、有限元模型、模型降階和振動控制進行了研究,并對旋轉層合梁的熱沖擊響應及控制進行了研究。論文的具體研究內(nèi)容如下:(1)對壓電材料在高電壓激勵下的非線性特性及一端固支雙壓電晶片元件在不同電壓比的直流、交流激勵下的柔度進行了研究。結果表明直流激勵對壓電作動器的柔度的影響較小,而在交流激勵下表現(xiàn)出不同的特性,其柔度隨著交流電的強度增加而增加,但不受頻率的影響。在此基礎上建立了一端固支雙壓電晶片元件受交流電壓激勵時的動力學方程,其動態(tài)剛度與實驗測得的數(shù)據(jù)具有較高的吻合度,從而驗證了理論模型的正確性。(2)基于一階近似理論對大變形下繞自身縱軸高速旋轉的柔性梁進行了動力學分析。考慮了軸向與橫向振動之間的耦合作用以及由偏心產(chǎn)生的離心力作用;采用Hamilton原理導出了旋轉柔性梁在恒定轉速下動力學方程,并分別采用假設模態(tài)法及有限元素法對所得動力學方程進行分析,得出恒定轉速下柔性梁一階近似模型與零階近似模型動力學響應。二者對比表明柔性梁在低速旋轉時剛柔耦合項的影響較小,可以忽略,可采用零階近似模型;而在高速旋轉時剛柔耦合項的影響較大,不可以忽略,應采用一階近似模型以得到較為精確的結果。(3)采用壓電分流控制方法對旋轉柔性梁進行振動抑制,在分析旋轉梁壓電分流控制方程的基礎上采用模擬退火算法對電路中的電阻、電感元件進行了優(yōu)化。首先使用Hamilton原理建立了繞自身縱軸旋轉柔性梁的壓電分流阻尼控制方程,推導了基于壓電分流控制的壓電分流系統(tǒng)傳遞函數(shù)。建立傳遞函數(shù)的優(yōu)化模型,并基于模擬退火優(yōu)化算法思想對目標函數(shù)進行優(yōu)化。最后針對旋轉梁壓電分流電路優(yōu)化進行數(shù)值計算與分析。仿真結果表明:壓電分流阻尼系統(tǒng)可以很好地抑制柔性旋轉梁振動響應;與遺傳算法相比,模擬退火優(yōu)化算法不僅可以取得更好的優(yōu)化效果,且優(yōu)化效率得到了極大的提高。(4)針對繞自身縱軸高速旋轉柔性梁系統(tǒng),開展模型降階和智能振動控制研究。采用內(nèi)平衡模型降階方法對系統(tǒng)有限元模型進行模型降階,基于降階模型提出模糊自適應整定PID控制算法的旋轉柔性梁振動智能控制方法。研究表明內(nèi)平衡模型降階方法得到的降階模型可以很好地逼近和代替原系統(tǒng);與傳統(tǒng)的PID控制器相比,基于降階模型的模糊自適應整定PID控制器對旋轉梁的振動抑制效果更突出,并能更好地改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。(5)為了解決現(xiàn)有的壓電作動器的輸出較小及在旋轉結構中布置等問題,研究無接觸激勵式壓電作用堆振動控制方法。固定在旋轉梁上的導線在磁場中作切割磁感線運動,產(chǎn)生的控制電壓對壓電作用堆進行激勵產(chǎn)生彎矩從而對旋轉梁進行振動控制。運用速度反饋控制方法、模糊自適應滑�？刂评碚撛O計了控制器。結果表明無接觸激勵式壓電作用堆能夠使旋轉梁的橫向振動較快地衰減并能夠解決旋轉結構中作動器布置困難的問題,驗證了控制器的有效性。(6)研究了兩端簡支高速旋轉柔性梁在熱沖擊作用下的動力學響應和控制。采用Hamilton原理建立受到熱沖擊的旋轉柔性梁的動力學方程,采用中心差分法對結構的動力學響應進行近似求解,并對熱沖擊狀態(tài)下的熱模態(tài)和頻率進行研究。設計智能控制器,對旋轉梁的熱沖擊響應進行振動控制研究。
[Abstract]:More than half a century, the emergence of a large number of rotating structure, and is widely used in aviation, aerospace and other fields, the rotating bracket structure of rotating around its own axis are widely used in satellite, the horizontal axis rotor machine, mechanical shaft. The rotating beam is rotated at a high speed, by its own material distribution is uneven, the vibration caused by external causes disturbance will cause the structural fatigue of the aircraft safety decline, so the dynamic analysis and control of the rotating beam structure has a very important significance. In this paper, the beam dynamics model is studied. The dynamic performance of the piezoelectric actuator, dynamic modeling of high speed rotating flexible beam the finite element model, model reduction and vibration control are studied, and the thermal shock of rotating laminated beam response and control were studied. The main research contents are as follows: (1) to DC side and nonlinear properties of piezoelectric materials in high voltage excitation clamped piezoelectric bimorph element in different voltage than the AC excitation flexibility were studied. The results show that the DC excitation has little influence on the flexibility of actuator of piezoelectric, and showed different characteristics in the AC excitation, the the flexibility increases with the increase of alternating current strength, but is not affected by the frequency. Based on the established clamped piezoelectric bimorph element by the kinetic equation of AC voltage excitation, the dynamic stiffness of the degree of agreement with the experimentally measured data is high, in order to verify the correctness of the theoretical model. (2) first order approximation theory of large deformation around its longitudinal axis high speed rotating flexible beam was analyzed. Based on the coupling between the axial and transverse vibration and the centrifugal force caused by eccentricity is considered by; Export Hamilton principle of rotating flexible beam dynamics under constant speed equation, and using assumed mode method and the finite element method to analyze the kinetic equation, the constant speed flexible beam first approximation model and the zero order approximate model of dynamic response. The two can ignore the ratio indicates a smaller impact on the low speed rotation rigid flexible beam when the coupling term, the zero order approximation model; and the larger effect of rigid rotating at high speed when the coupling term, can not ignore, the first order approximate model to obtain more accurate results. (3) mining of rotating flexible beam vibration suppression using piezoelectric shunt control method, based on the analysis of rotating beam piezoelectric shunt control equations using simulated annealing algorithm on the resistance of the circuit inductance was optimized. First use the Hamilton principle to build around its longitudinal axis of flexible beam The piezoelectric shunt damping control equation is derived for piezoelectric shunt system piezoelectric shunt control based on transfer function. The transfer function of the optimization model is established, and simulated annealing optimization algorithm to optimize the objective function. Finally, based on the rotating beam piezoelectric shunt circuit optimization calculation and analysis for the numerical simulation results show that the pressure. Electric shunt damping vibration of flexible rotating beam can well inhibit the response; compared with the genetic algorithm, simulated annealing algorithm not only can obtain better optimization results, and the optimization efficiency has been greatly improved. (4) for high-speed rotation around its own axis flexible beam system, carry out the research on order reduction model and intelligent vibration control. The balanced model reduction method of finite element model for model reduction, reduction of rotating flexible Liang Zhen proposed fuzzy adaptive PID control algorithm based on model order Dynamic intelligent control method. The results show that in equilibrium the reduced order model order reduction methods can be a good approximation and replace the original system; compared with the traditional PID controller, fuzzy adaptive reduced order model tuning PID controller vibration of the rotating beam based on inhibition effect is more prominent, and the static and dynamic performance and better the improvement of the system. (5) in order to solve the existing piezoelectric actuator output device arranged in the rotation and small structure problems of piezoelectric effect of pile vibration control method of contact wires are fixed on the rotating beam excitation. The magnetic line cutting motion in a magnetic field, the control voltage generated by excitation moment to vibration control of rotating beam of piezoelectric effect pile. Using speed feedback control method, adaptive fuzzy sliding mode control theory to design controller. The results show that the non-contact piezoelectric effect incentive pile Enable faster lateral vibration of rotating beam attenuation and can solve the difficult problem of actuator arrangement of rotating structure, verify the validity of proposed controller. (6) studied the response and control of simplysupported high-speed rotating flexible beam dynamics under the thermal shock. Using Hamilton principle to establish the dynamic equation is subjected to thermal shock the rotating flexible beam, the central difference approximation to the dynamic response of structure method, and study the thermal modal and frequency on thermal shock condition. The design of intelligent controller, thermal shock on the rotating beam response of the vibration control research.

【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB535

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本文編號：1619732