压电纤维复合材料驱动的悬臂板动态形状主动控制

【作者】 周文雅； 王晓明； 吴志刚；

【机构】 大连理工大学航空航天学院； 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室；

【摘要】 悬臂板结构广泛应用于航空航天、机器人、汽车等领域,如机翼、太阳能帆板、机械手臂等。利用智能材料实现悬臂板结构的形状主动控制,能够实现特定控制目标、修正因结构柔性引起的形状误差,并能够有效提高结构效率、降低结构重量。本文利用表面铺设的压电纤维复合材料实现悬臂板的动态形状主动控制。结合有限单元法和复合材料层合板理论,考虑铺设压电材料对结构质量和刚度的影响,建立悬臂板的结构动力学方程。采用载荷比拟法建立了压电作动器的驱动模型,给出控制载荷向量。分析不同铺设方式和纤维角度下的驱动特性;研究中采用可用于实现悬臂板弯扭耦合控制的反对称铺设方式。通过稳态分析获得了驱动悬臂板达到理想形状的压电作动器的稳态目标电压。要实现连续、光滑的高精度动态形状控制,则必须考虑压电作动器的电压加载时间历程。在阶跃、斜坡等简单、随意的加载输入下,悬臂板会产生较为剧烈的瞬态动力学响应和残余振动。为抑制悬臂板结构在变形过程中的振动,本文基于非线性规划理论和有限差分法对压电作动器的电压加载历程进行了优化设计。结果表明,采用优化后的电压加载历程,悬臂板在动态形状控制过程的瞬态和残余振动得到了有效的抑制,提高了控制精度,实现了连续、光滑的动态变形控制效果。更多还原