船舶智能结构振动反馈控制研究.pdf

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第卷第期船海工程. .
年月.
文章编号——~
船舶智能结构振动反馈控制研究
陈建峰余音
上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海
摘要针对船舶结构特点,以压电材料作为反馈传感器和控制作动器,粘贴在船舶板梁结构表
面,形成智能结构反馈控制闭环系统,使结构振动得到有效控制。从材料的本构方程出发,建立了压电智
能结构的传感器、作动器以及振动控制有限元方程,并用软件进行了数值仿真研究。数值算例验证了
智能结构在结构尺寸和厚度比较大的船舶板梁结构振动控制的可行性,可以给船舶结构振动控制提供一种
新的途径。
关键词智能结构作动器振动控制三明治复合材料
中图分类号. 文献标识码


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世纪年代以来,以叠层材料制造技术、
智能结构的有限元控制方程
微电子和功能材料耦合特性的利用为基础而发展
起来的智能结构越来越受到人们的重视。近. 压电材料本构方程
年在海洋结构工程中,针对处于时变性和不确定压电方程描述了压电材料力学和电学行为之
性环境中运行的海洋结构,也提出了机敏海洋结问的相互作用。压电晶体在弹性极限范围内,由
构的概念,并展开了有关的研究工作【,船海智于应变和电位移均可由应力和电场两方面产生,
能结构的研究将对船舶与海洋结构的健康监测和根据弹性结构关系式、介电关系式及压电效应表
控制有重要意义。示式,可以得到压电材料本构方程【
针对船舶结构,研究压电智能结构对较大尺一
寸和厚度的板梁结构的振动控制,利用软
件中的参数化设计语言构造反馈控制系式中: ,——应力和应变向量;
统,对两种典型的板梁结构进行振动控制研究。——电位移向量;
——电场强度向量;
——介电常数矩阵;
——结构刚度矩阵;
收稿日期——
——压电应力常数矩阵。
修回日期——
. 机电耦合的结构动力学方程
作者简介陈建峰一,男,硕士生。
根据原理可以推导出含压电材料
国家自然科学基金资助项目编号:
的智能结构动力学方程
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船舶智能结构振动反馈控制研究——陈建峰余音
输出传感器上的电压作为反馈信号。
\≯/踟\ 由传感信号经反馈控制器计算得到控制
/“\ 点处的位移,如果表示控制目
【标,转,否则转。
式中:——结构质量矩阵; 通过反馈控制器计算控制电压
——结构阻尼矩阵;
,——结构刚度矩阵; 式中:——传感器反馈的电压;
——结构压电刚度矩阵; ——反馈矩阵。
——结构介电刚度矩阵; 把得到的控制电压施加到作动器上。
——位移; 计算第个时间步长后的瞬态响应。
——电势; ,重复步骤~。
——结构外载荷; 结束控制。
——电极表面电荷产生的载荷矢量。中的参数化语言为实现有限
. 传感器、作动器方程及控制方法元环境中的反馈控制仿真提供了一个便捷的途
径,通语言中的循环结构就能实现上述过
利用逆压电效应将复合材料板壳型自适应结
程。有限元环境中的反馈控制系统见框图。
构中的压电材料铺层作为作动器,即在压电铺层
中作用适当的电压以获得结构变形。作动器方程
为
一