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撓電智能結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制與能量采集研究

發(fā)布時(shí)間:2019-05-27 23:38
【摘要】:智能結(jié)構(gòu)具有體積小、響應(yīng)快、變形大等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的傳感、振動(dòng)控制、噪聲控制與穩(wěn)定性控制等,在航空航天、機(jī)械電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。撓電材料不需要進(jìn)行極化處理,不存在退極化和老化問(wèn)題等,應(yīng)用方便,因此撓電智能結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文基于一般雙曲率厚殼結(jié)構(gòu)建立了包含撓電效應(yīng)的力電耦合動(dòng)力學(xué)模型,該模型考慮了剪切效應(yīng)及旋轉(zhuǎn)慣性項(xiàng),并且考慮了大變形的幾何非線性的影響。推導(dǎo)了逆撓電效應(yīng)作用下的力電耦合動(dòng)力學(xué)方程,并給出了一般雙曲率厚殼結(jié)構(gòu)的模態(tài)控制響應(yīng);谝话汶p曲率厚殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程與撓電振動(dòng)控制模態(tài)響應(yīng)可簡(jiǎn)化應(yīng)用到一般雙曲率殼薄殼結(jié)構(gòu)與小變形結(jié)構(gòu),并且根據(jù)特定結(jié)構(gòu)的拉梅常數(shù)和曲率半徑,可簡(jiǎn)化應(yīng)用到不同的殼和非殼結(jié)構(gòu)。本文具體討論將一般雙曲率撓電薄殼應(yīng)用到撓電矩形板、撓電圓柱薄殼與撓電半球薄殼的簡(jiǎn)化應(yīng)用步驟;趽想娦(yīng)推導(dǎo)的撓電控制動(dòng)力學(xué)方程,利用逆撓電效應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)控制的關(guān)鍵是構(gòu)造非均勻的電場(chǎng)即構(gòu)造電場(chǎng)梯度。本文分別構(gòu)造了原子力顯微鏡(AFM)探針激勵(lì)、導(dǎo)線激勵(lì)與含金屬芯的撓電纖維等產(chǎn)生電場(chǎng)梯度的方式,并對(duì)不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)控制的研究。本文首先建立了基于AFM探針激勵(lì)的撓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制模型,并給出了激勵(lì)電壓作用下?lián)想娦?yīng)引起的懸臂梁的末端位移。同時(shí)進(jìn)行了撓電作動(dòng)實(shí)驗(yàn),撓電作動(dòng)器位于不同位置時(shí)分別測(cè)量了撓電懸臂梁的末端位移,并與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了撓電作動(dòng)理論的可行性。撓電激勵(lì)引起的作動(dòng)位移與探針的半徑、位置以及撓電梁的厚度等有關(guān),本文優(yōu)化了不同的參數(shù)提高振動(dòng)控制的效率;趯(dǎo)線激勵(lì)構(gòu)造了產(chǎn)生電場(chǎng)梯度的另外一種方法,并對(duì)兩邊簡(jiǎn)支兩邊自由的矩形板進(jìn)行了振動(dòng)控制。針對(duì)矩形板的不同模態(tài),分別討論了撓電效應(yīng)引起的振動(dòng)控制的位移,并討論了不同的參數(shù)對(duì)矩形板振動(dòng)控制位移的影響,優(yōu)化振動(dòng)控制的效果。此外,利用含金屬芯撓電纖維引起的電場(chǎng)梯度,對(duì)彈性懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)控制分析。同樣對(duì)撓電纖維半徑、金屬芯半徑、撓電纖維個(gè)數(shù)與位置等參數(shù)對(duì)振動(dòng)控制的影響進(jìn)行了分析討論。此外,本文基于正撓電效應(yīng)建立了基于一般雙曲率殼結(jié)構(gòu)的撓電俘能器模型,推導(dǎo)出了外部激勵(lì)作用下?lián)想姺芷髟谕獠控?fù)載電阻兩端產(chǎn)生的電壓與功率輸出。根據(jù)特定結(jié)構(gòu)的拉梅常數(shù)與曲率半徑,將一般雙曲率殼的撓電俘能器簡(jiǎn)化應(yīng)用到撓電圓柱殼俘能器、撓電圓環(huán)殼俘能器與撓電懸臂梁俘能器,給出了特定結(jié)構(gòu)俘能器的負(fù)載兩端的電壓和功率輸出表達(dá),并對(duì)圓環(huán)殼俘能器進(jìn)行了具體的參數(shù)分析優(yōu)化輸出功率。為了討論撓電效應(yīng)在工程上的應(yīng)用,本文針對(duì)圓環(huán)面殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了撓電分布式傳感與振動(dòng)控制分析,針對(duì)圓環(huán)殼不同的模態(tài),分析了不同的彎曲角度與不同的應(yīng)變分量對(duì)撓電傳感與振動(dòng)控制的影響。
[Abstract]:The intelligent structure has the characteristics of small volume, fast response, large deformation and the like, and can realize the sensing, vibration control, noise control and stability control of the structure, and has important application in the fields of aerospace, mechanical electronics, biomedicine and the like. The flexible electric material does not need to be polarized, does not have the problem of depolarization and aging, and the like, and is convenient to apply; therefore, the flexible electric intelligent structure has a wide application prospect in the engineering application. In this paper, based on the general double-curvature thick-shell structure, a force-electric coupling dynamic model with a flexible electric effect is established, which takes into account the shearing effect and the rotational inertia term, and takes into account the influence of the geometrical non-linearity of the large deformation. In this paper, the dynamic equations of the force-electric coupling under the action of the reverse-bending electric effect are derived, and the modal control response of the general double-curvature thick-shell structure is given. The dynamic equation and the flexural vibration control mode response based on the general double-curvature thick-shell structure can simplify the application to the general double-curvature shell shell structure and the small deformation structure, and can simplify the application to different shell and non-shell structures according to the pull-in constant and the radius of curvature of the specific structure. In this paper, the general double-curvature flexible thin shell is applied to the simplified application of flexible electric rectangular plate, flexible electric cylindrical shell and flexible electric hemisphere thin shell. Based on the dynamic equation of flexible electric control, the key to the vibration control is to construct the non-uniform electric field, that is, to construct the electric field gradient. In this paper, an atomic force microscope (AFM) probe excitation, a wire excitation and a flexible electric fiber containing a metal core are respectively constructed to generate electric field gradient, and the vibration control of different structures is studied. In this paper, the vibration control model of the cantilever beam structure excited by the AFM probe is firstly established, and the end displacement of the cantilever beam caused by the flexible electric effect under the action of the excitation voltage is given. At the same time, the flexible electro-operation experiment is carried out, the end displacement of the flexible electric cantilever beam is measured respectively when the flexible electric actuator is in different positions, and the theoretical prediction is compared, and the feasibility of the flexible electric actuation theory is verified. The action displacement caused by flexible electric excitation is related to the radius and position of the probe and the thickness of the flexible beam, and the efficiency of the vibration control is improved by the different parameters. In this paper, an alternative method for generating electric field gradient is constructed based on the wire excitation, and the vibration control is carried out on the rectangular plates which are simply supported on both sides. In the light of the different modes of the rectangular plate, the displacement of the vibration control caused by the flexible electric effect is discussed, and the influence of different parameters on the vibration control displacement of the rectangular plate is discussed, and the effect of the vibration control is optimized. In addition, the vibration control analysis of the elastic cantilever structure is carried out by using the electric field gradient caused by the metal-core flexible electric fiber. The influence of the parameters such as the radius of the flexible electric fiber, the radius of the metal core, the number and the position of the flexible electric fiber on the vibration control is also discussed. In addition, based on the positive-flex electric effect, the model of the flexible electric energy capture device based on the general double-curvature shell structure is established, and the voltage and the power output of the external load resistor at the two ends of the external load resistor are derived. according to the tension and the radius of curvature of the specific structure, the flexible electric energy capture device of the general double-curvature shell is simplified to be applied to a flexible electric cylindrical shell capture device, a flexible electric circular ring shell capture device and a flexible electric cantilever beam energy collector, and the voltage and the power output expression at the two ends of the load of the specific structural energy collector are given, And the specific parameter analysis of the ring shell capture device is carried out to optimize the output power. In order to discuss the application of flexible electric effect in engineering, this paper analyzes the structure of ring shell, and analyzes the effects of different bending angles and different strain components on the sense of flex-wire and vibration control for the different modes of the ring shell.
【學(xué)位授予單位】:浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2017
【分類號(hào)】:TM619

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本文編號(hào):2486540

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