本文關(guān)鍵詞：阻尼與主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《大連理工大學(xué)》 2015年

阻尼與主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化方法

張曉鵬  

【摘要】：結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲控制長期以來受到學(xué)者和工程師的持續(xù)研究。特別地,在結(jié)構(gòu)表面敷設(shè)阻尼材料層的被動(dòng)控制方法和在結(jié)構(gòu)表面安裝壓電傳感器／作動(dòng)器片的主動(dòng)控制方法受到了越來越多的關(guān)注。顯然,在結(jié)構(gòu)中敷設(shè)滿布的阻尼材料層或壓電材料層在帶來額外質(zhì)量的同時(shí)也影響控制效果。為了達(dá)到最佳控制效果,尋找振動(dòng)結(jié)構(gòu)中阻尼材料層或壓電材料層的最優(yōu)布局變得至關(guān)重要。 對(duì)于局部敷設(shè)阻尼材料或壓電材料的結(jié)構(gòu)來說,其結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)非比例阻尼特性,這給結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析和靈敏度分析帶來了很大的困難。本文著力解決這一困難,并基于拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想,主要開展了如下工作：研究了以減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射特性為目標(biāo)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)阻尼材料最優(yōu)拓?fù)洳季謫栴}；建立了結(jié)構(gòu)阻尼材料層和基體材料層聯(lián)合拓?fù)鋬?yōu)化方法；研究了主動(dòng)控制下以減小振動(dòng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)的壓電材料及其電極層最優(yōu)拓?fù)洳季謫栴}。主要研究內(nèi)容包括： 1.振動(dòng)結(jié)構(gòu)阻尼材料層和基體材料層拓?fù)鋬?yōu)化方法。主要考慮了以減小簡諧激勵(lì)下結(jié)構(gòu)振動(dòng)振幅為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)表面阻尼材料層最優(yōu)拓?fù)洳季謫栴}以及阻尼材料層和基體材料層聯(lián)合拓?fù)鋬?yōu)化問題。為了在優(yōu)化中獲得更加清晰的拓?fù)浣Y(jié)果,提出了帶懲罰的人工阻尼材料模型。由于結(jié)構(gòu)表面部分區(qū)域敷設(shè)有阻尼材料,使得結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)非比例阻尼特性,因此在計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)采用了先降階再使用狀態(tài)空間下的復(fù)模態(tài)疊加法進(jìn)行求解。在此基礎(chǔ)上,利用伴隨變量法推導(dǎo)了振幅響應(yīng)的靈敏度。 2.以減小振動(dòng)結(jié)構(gòu)輻射聲壓為目標(biāo)的阻尼材料層拓?fù)鋬?yōu)化方法。主要研究了簡諧激勵(lì)下以振動(dòng)結(jié)構(gòu)聲輻射強(qiáng)度為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)阻尼材料最優(yōu)布局的拓?fù)鋬?yōu)化方法及相應(yīng)的靈敏度分析。在振動(dòng)分析中使用有限元法對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散,而在外聲場聲輻射分析中則使用了邊界元法對(duì)其離散。在此基礎(chǔ)上,利用伴隨變量法推導(dǎo)了指定位置參考點(diǎn)聲壓的靈敏度。在優(yōu)化問題中,通過尋求結(jié)構(gòu)表面阻尼材料層的最優(yōu)拓?fù)洳季謥韺?shí)現(xiàn)最小化指定位置參考點(diǎn)聲壓的幅值。本文通過數(shù)值算例比較了不同阻尼系數(shù)、激振頻率以及參考點(diǎn)位置等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)果的影響。 3.主動(dòng)控制下結(jié)構(gòu)表面壓電材料最優(yōu)拓?fù)洳季謫栴}。主要研究了以達(dá)到最優(yōu)控制效果為目標(biāo)的壓電智能結(jié)構(gòu)表面作動(dòng)器層和傳感器層最優(yōu)拓?fù)洳季謫栴}。其中,壓電作動(dòng)器層和傳感器層分布于基體層兩側(cè)并具有相同的拓?fù)浞植?為減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)使用了基于速度負(fù)反饋的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制。在優(yōu)化模型中,指定頻率下結(jié)構(gòu)的動(dòng)柔度或指定頻率帶內(nèi)的動(dòng)柔度的凝聚函數(shù)被選作目標(biāo)函數(shù)。在建立優(yōu)化問題模型中,采用同時(shí)懲罰壓電材料的力學(xué)和壓電屬性的人工壓電材料模型,并基于此進(jìn)行了相應(yīng)的靈敏度分析。 4.以減小結(jié)構(gòu)聲輻射為目標(biāo)的薄壁壓電智能結(jié)構(gòu)表面電極層拓?fù)鋬?yōu)化問題。本文建立了以減小振動(dòng)結(jié)構(gòu)輻射聲壓的薄壁壓電智能結(jié)構(gòu)表面電極層拓?fù)鋬?yōu)化方法。在優(yōu)化模型中,選取指定參考點(diǎn)位置在指定載荷頻率或載荷頻率帶的聲壓幅值作為目標(biāo)函數(shù)。引入了表征每一單元表面電極存在與否的虛擬密度變量,并建立虛擬密度與主動(dòng)阻尼效應(yīng)之間的懲罰關(guān)系。每一壓電作動(dòng)器表面作動(dòng)電壓通過常系數(shù)速度負(fù)反饋(CGVF)的方式確定。 5.基于主動(dòng)控制的壓電智能結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化。本文主要研究了以減小主動(dòng)控制下壓電智能結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)為目標(biāo)的表面壓電作動(dòng)器層和傳感器層最優(yōu)拓?fù)洳季謫栴}。具有主動(dòng)阻尼效應(yīng)的壓電智能結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)通過直接時(shí)間積分法求得。在拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型中,選取關(guān)心位置的位移響應(yīng)在指定時(shí)間段內(nèi)的積分為目標(biāo)函數(shù)。為方便使用基于梯度的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法求解優(yōu)化問題,給出了一般形式響應(yīng)的積分函數(shù)在指定時(shí)間段內(nèi)的靈敏度分析。數(shù)值算例證明所提的優(yōu)化方法能夠得到可行的壓電材料拓?fù)洳季郑凰岬耐負(fù)湓O(shè)計(jì)方法可以用于提供對(duì)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)載荷下(特別是沖擊載荷下)壓電傳感器和作動(dòng)器最優(yōu)布局設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意見。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB535;O189
【目錄】：

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3 王曉明;特定功能結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化[D];大連理工大學(xué);2010年

4 李順利;無網(wǎng)格自然鄰接點(diǎn)Petrov-Galerkin法及其在結(jié)構(gòu)分析和拓?fù)鋬?yōu)化中的應(yīng)用[D];湖南大學(xué);2011年

5 韋勇;阻尼結(jié)構(gòu)的建模、識(shí)別和拓?fù)鋬?yōu)化研究[D];南京航空航天大學(xué);2006年

6 徐勝利;基于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)剛度和滲流多功能材料設(shè)計(jì)[D];大連理工大學(xué);2010年

7 喬赫廷;連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型討論及其應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2011年

8 左孔天;連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化理論與應(yīng)用研究[D];華中科技大學(xué);2004年

9 孫士平;材料和結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化關(guān)鍵理論與方法研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

10 薛曉光;基于能量流分析的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化理論與方法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉婉秋;桿系結(jié)構(gòu)基于可靠性的拓?fù)鋬?yōu)化研究[D];大連理工大學(xué);2006年

2 曾興國;基于移動(dòng)粒子法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究[D];湘潭大學(xué);2011年

3 周常榮;移動(dòng)粒子法拓?fù)鋬?yōu)化效率影響因素的研究[D];湘潭大學(xué);2012年

4 倪君杰;骨骼重建拓?fù)鋬?yōu)化方法的理論研究和數(shù)值模擬[D];北京工業(yè)大學(xué);2009年

5 李朕;散熱結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[D];華中科技大學(xué);2008年

6 楊振興;汽車與機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化方法及其應(yīng)用研究[D];長沙理工大學(xué);2005年

7 李玉霞;刮板輸送機(jī)軌座的拓?fù)鋬?yōu)化分析[D];河北工業(yè)大學(xué);2006年

8 魏永保;基于修正移動(dòng)粒子法的拓?fù)鋬?yōu)化研究[D];湘潭大學(xué);2013年

9 張程燮;基于拓?fù)鋬?yōu)化的柔順機(jī)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法研究[D];東華大學(xué);2011年

10 邢曉娟;基于數(shù)學(xué)規(guī)劃求解的拓?fù)鋬?yōu)化方法及其應(yīng)用研究[D];長沙理工大學(xué);2008年

  本文關(guān)鍵詞：阻尼與主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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