用于控制高柔结构振动的POD技术

本文通过模型试验和理论分析研究了一种控制高柔结构振动的新方法──ＰＯＤ（摆、油阻尼器）减振系统。文中详细分析了其减震原理，并提出了与试验结果相吻合的三角形非线性滞回模型。试验结果表明，在接近调谐状态下ＰＯＤ法可减振４８％。数值计算的结果也表明，ＰＯＤ不仅减振效果比ＴＭＤ高得多，而且有效频带也觉得多。ＰＯＤ系统具有造价低、易安装、占用空间小、免维护等优点，可用于风或地震等荷载引起的电视塔、悬索桥塔、海洋平台或超高层建筑的振动。

失稳初期的低雷诺数圆柱绕流POD-Galerkin建模方法研究

POD-Galerkin方法是构建非定常流动低阶模型的有效方法。然而,研究表明基于周期振荡样本及其时均解构建的低阶模型只能反演流场振荡饱和后的周期性运动,不能复现流动从不稳定定常解开始振荡的发散过程,不便于流动的稳定性分析和控制研究。通过尝试选择流场进入周期性运动之前的样本来构建低阶的流体动力学模型,并用于反演流动失稳初期微幅振荡的流场。以低雷诺数(Re=100)下圆柱绕流为例,构建了卡门涡街失稳初期的流动降阶模型。通过与CFD数值结果对比,表明选择合适的样本数据,构建的低阶模型可以复现流场发散初期的频率和阻尼等特性。

翼型下表面柔性襟翼流动控制机理研究

为解决低雷诺数下仿生飞行器设计中边界层流动分离这一热点问题,仿照鸟类次级羽毛的流动控制机制,提出了利用翼型下表面柔性襟翼进行非定常流动控制的方法。建立了一种以浸入边界法为核心的通用IB-LB-FEM流固耦合数值模拟框架,并系统研究了下表面柔性襟翼位置和刚度系数对NACA0012翼型非定常流动的影响,揭示了柔性襟翼流固耦合效应下的变形规律及其非定常流动控制机理。研究结果表明:当柔性襟翼靠近尾缘时,其对翼型气动性能的影响较为明显,其中最大平均升阻比相比无襟翼翼型提升了33.32%;下表面柔性襟翼并没有直接参与翼型表面流动分离的控制,但其通过扰动翼型下表面的非定常流动在襟翼后方形成新的流动分离从而影响了翼型的气动特性。此外,改变下表面柔性襟翼的刚度系数,将充分利用流固耦合特性有效改善翼型的气动性能。研究对于深入柔性襟翼流动控制机理,解决仿生飞行器的流动分离提供了新的研究思路。

柔性智能结构的振动主动控制仿真和实验研究

基于模态坐标表示的含压电片结构横向振动系统方程,采用独立模态法直接针对系统的高阶模型设计控制律,利用劳斯判据证明由所设计的控制器引起的控制溢出可被有效抑制,极大地降低了由于模型降阶引起的误差。同时,对压电柔性悬臂梁的高阶振动模态进行主动控制仿真模拟和实验研究,结果表明施加主动控制后柔性悬臂梁的模态阻尼显著提高,受控悬臂梁的振动得到了快速抑制。仿真计算和实验结果取得了良好的一致性。研究结果表明,利用压电陶瓷作为驱动元件,采用独立模态控制法实现柔性结构的振动抑制是一种高效的振动主动控制方法,在航天航空等领域中具有广阔的应用前景。

一种新型两自由度柔性并联机械手的动力学建模和运动控制

对一种新型两自由度柔性并联机械手的动力学模型和运动控制进行研究。首先,考虑刚—柔耦合影响,利用假设模态法和Lagrange乘子法,推导出系统的动力学方程,该方程为微分—代数方程组。为了设计控制器,采用坐标分块法将该微分—代数方程组化为二阶微分方程组。然后,根据机械手的控制要求,采用滑模变结构方法设计控制器,该控制器能跟踪所期望的运动轨迹,同时柔性构件的弹性振动得到抑制。仿真结果表明该控制器的可行性和有效性。

一种新型两自由度柔性并联机械手的主动振动控制及其仿真

针对一种新型两自由度柔性并联机械手,在含有压电元件的有限元模型基础上,基于模态理论和滑模变结构理论,研究其振动主动控制问题。采用有限元法和模态理论建立系统的动力学模型。根据系统的性能要求,采用最优化方法确定滑移面,基于Lyapunov直接法设计滑模控制器。控制器能对系统的前几阶模态实施控制,实现机械手的振动主动控制。仿真结果表明,该控制器可有效地抑制柔性构件产生的弹性振动,减小并联机械手动平台的位置误差,从而验证了该控制器的可行性和有效性。

车载柔性储液结构动态仿真方法

车载柔性储液结构与结构内液体的作用为典型的流体-结构耦合问题.采用显式动力软件LS-DYNA,首先通过控制体积法与ALE有限元法相结合的方法间接得到了柔性储液结构的初始状态,然后,采用ALE有限元法实现了大型车载柔性储液结构三维动态仿真,研究其在制动工况下的动力行为.通过与试验结果相比较,证实该仿真方法的可行性,为该类车载柔性储液结构的设计与整车性能的改进提供了参考依据.

压电复合梁高阶有限元模型与主动振动控制研究

大型柔性空间结构的振动控制问题引起了广泛的关注.压电材料以其低质量、宽频带和适应性强等特点,非常适合于柔性空间结构的振动控制.本文针对上下表面粘贴有分布式压电传感器和作动器的智能层梁结构,提出了一种考虑压电材料对结构质量、刚度影响的高阶有限元模型.考虑到空间结构可能承受较大的热载荷,在模型中计及了压电材料的热电耦合效应.采用常增益负反馈控制方法、常增益速度负反馈控制方法、Lyapunov反馈控制方法和线性二次型调节器方法(LQR)设计主动控制器,实现了智能层梁结构脉冲激励下的振动主动控制.仿真结果表明,LQR方法更能有效的实现结构振动控制,并且具有更低的作动器峰值电压,但不能消除热载荷引起的结构静变形.

随机激励下柔性智能梁结构振动的模糊自适应控制

对柔性智能梁结构提出了一种具有结构和参数学习能力的模糊神经网络控制方法,该法摒弃了常规的以BP算法来优化整个网络参数的作法,利用遗传算法对网络全局性参数进行离线优化,利用BP学习算法对网络局部性参数进行在线调节。以柔性智能悬臂梁为例,实现了对其在随机激励下的振动控制。仿真结果表明,模糊神经网络控制算法对智能结构的振动控制具有一定的鲁棒性和自适应性。

应用分力合成方法提高系统性能指标的研究

提出了将柔性结构的分力合成主动振动抑制方法和反馈控制律结合使用来提高柔性结构控制系统性能指标的方法。应用该方法仅需要知道闭环系统及柔性振动的频率及阻尼 ,而且可以同时抑制任意多个振动模态 (包括控制器引起的振动、柔性振动及其他形式的振动 )。分力合成方法对频率及阻尼的不确定性具有较强的鲁棒性 ,使该方法易于工程实现。文章针对单柔性杆 ,将分力合成主动振动抑制方法和反馈控制相结合 ,设计了不同形式的大角度机动控制律 。

区域极点配置的状态反馈控制在高柔结构中的应用

AMD控制系统中被控结构一般采用简化的计算模型,导致不确定性因素的存在,包括高柔结构的质量以及刚度的偏差,将影响控制器设计的准确性,而发展高柔结构的鲁棒AMD控制策略对土木工程的结构振动控制具有重要的理论价值和工程应用前景。基于区域极点配置算法设计了相应的鲁棒AMD控制器,在控制增益的计算过程中考虑不确定结构参数对计算模型精度的不利影响,以此提高了系统的稳定性。以10层结构为数值分析对象,以控制效果、AMD控制参数为指标,将所提出的控制器与基于经典极点配置算法的常规控制器进行性能对比,分析结果表明:对于含有较大不确定性的结构模型,所提出的控制方法具有更良好的控制效果以及稳定的控制参数;最后以4层框架试验模型的AMD控制系统为实例,验证上述数值分析结论的正确性。

柔性杆梁结构振动主动控制的有限元分析

基于结构的有限元模型，用分段压电片作为控制执行器，利用线性二次优化法，由Ｒｉｃａｔｉ方程求出反馈增益矩阵及反馈控制力，并由此对系统（悬臂梁主体结构）实施的主动控制进行了有效地计算机模拟。

设有液压质量控制系统(HMS)的底层柔性结构动力特性及其地震反应的振型分解法

本文对设有液压质量控制系统(HMS)的底层柔性结构体系的动力特性进行了试验研究和分析,通过对试验结果的分析,证明了设有液压质量控制系统(HMS)的底层柔性结构控制体系近似存在经典振型,其阻尼阵满足正交性条件,所以,可用振型分解法计算受控结构的地震反应。

大柔性飞机降落抗震动方法研究与仿真

研究大柔性飞机降落中震动的优化控制问题。大柔性飞机在起落过程中,柔性结构决定了缓冲支撑点结构刚度低、内阻小、间距较大,降落时会产生较大震动,引起建立的飞机抗震模型阶数较高。传统的飞机震动控制方法都是以建立的抗震动力学模型为基础的,一旦模型阶数较高,将产生飞机缓冲系数过小,从而降低抗震模型的精度。提出一种独立模态抗震法直接针对大柔性飞机的高阶动力模型设计,采用柔性压电结构振动模态控制技术,准确地设计大柔性飞机抗震控制器的控制律,可以防止控制溢出被有效抑制,减小飞机降落的振幅幅度。仿真结果表明:改进方法对大柔性飞机的振动模态进行独立控制,起落过程振动抑制效果非常显著,降低了震动强度。

复合材料后掠机翼的气动弹性剪裁方法研究

提出了一种混合多级结构优化算法,以大展弦比复合材料后掠机翼为研究对象进行了气动弹性剪裁设计。在满足强度、变形约束等前提下,以梁、肋、蒙皮厚度,对结构重量进行最小化设计;继续以减重为目标,满足颤振速度的约束,优化蒙皮各铺层的比例,并分析了优化中铺层比例对颤振速度的影响;采用遗传算法优化蒙皮的铺层顺序,以增大机翼的颤振速度。研究表明:混合多级结构优化不仅可以减轻机翼的结构重量,还能大大提高机翼的颤振速度;铺层比例优化结果表明较高的±45°铺层比例能使刚度分布更加合理高效。

半柔性悬挂结构分析的子结构模态法

针对一种半柔性悬挂减振结构提出其简化计算方法。根据这种结构的特点,将柔性悬挂层作为连接子结构,应用子结构模态综合法分析结构动力特性,得到结构的简化运动方程;分析了柔性层与悬挂楼面层间刚度比和综合模态数对结构简化计算精度的影响;提出了确定参与综合模态数的选取方法;基于模态综合法进行了算例的时程分析对比。结果表明:采用合理的子结构模态法减少了参与结构分析的自由度数目;综合模态数对结构计算精度的影响更显著。子结构模态法具有应用方便、计算精度高的特点,完全可以满足工程分析的需要。

可伸缩挠性结构的稳定控制

对于挠性梁收缩过程的不稳定性，提出了边界控制方案，并设计了相应的控制律。受控结构的振动能量总是被耗散，系统的阻尼被增强，从而挠性梁的伸展过程、收缩过程和平台保持过程都被稳定化。

柔性关节机械臂的非线性控制策略研究

针对外部干扰情况下的柔性关节机械臂非线性动力学模型,提出一种基于反演设计思想的递阶控制策略。把电机的输出角度向量作为关节子系统的控制变量,设计虚拟电机角度向量实现关节轨迹跟踪,同时在反演正定函数中综合积分项消除轨迹跟踪误差。计算实际的关节电机输出力矩,使电机输出角度跟踪虚拟控制量,通过设计自适应滑模变结构控制器消除系统不确定因素的影响。基于李雅普络夫稳定性理论证明系统的稳定性和轨迹跟踪误差的收敛性。

柔性充气囊体结构的动力学响应和姿态分析

对主体结构为柔性充气囊体的某飞行器动力学响应和飞行姿态特性进行了研究。针对球锥外形的柔性充气囊体结构,建立参数化模型,基于ANSYS软件进行柔性充气囊体静力和动力学响应分析。在静力分析中用惯性释放法模拟完全无约束的结构,得到控制力作用下的变形、应力和质量参数变化。在动力学响应分析中用完全法分析了充气囊体结构在控制力作用下的瞬态动力响应,得到由大幅刚体位移和小幅弹性振动组成的结构位移响应。建立了充气囊体的姿态运动方程,基于MATLAB自编程序,研究了控制力作用下充气囊体的姿态动力学特性,分别分析了不考虑弹性变形和考虑弹性变形两种情况的柔性充气囊体姿态特性。结果表明:在控制力作用下充气囊体的弹性变形不大,绕初始平衡状态发生大幅的刚体位移;控制力产生的弹性变形对充气囊体的姿态动力学特性影响较大,姿态分析中需考虑弹性变形引起的质量参数变化。

旋转柔性智能结构振动滑模控制方法研究

基于Hamilton原理和高阶模型理论,建立了旋转刚柔耦合智能结构的动力学模型,并通过滑模变结构控制(SMC)对结构的振动进行控制．通过一阶近似模型理论考虑了结构轴向、横向和转角相互间的耦合作用,即考虑了柔性梁和智能材料的几何非线性．利用有限元方法得到了考虑离心刚化效应的有限维模型．利用滑模控制方法对结构的振动进行抑制．滑模面通过最优化方法得到．数值仿真结果表明滑模控制方法有效地控制了带有参数扰动的旋转柔性智能结构振动．