双曲扁壳大挠度低频振动主动控制理论与试验技术研究

Double-curved shallow shells are widely used in the lightweight aerospace structures with large dimensions.The load conditions of the structures always result in large deflection vibrations of the shells at low frequencies, which threatens the stability and security of the whole system.At present, no research has been reported on the large deflection vibrations of the double-curved shallow shells with low frequencies.In light of this, active vibration control of the double-curved shallow shells using macro-fiber composite(MFC) actuators is proposed, which involves: (1) By the analytical method,both of the linear and nonlinear electromechanically coupled models of the double-curved shallow shell patially covered by MFC actuators will be established and the dynamic characteristic of the nonlinear system will be explored, comparatively with the linear system.The actuation equations for the MFC actuator will be derived.By merging the actuation equations and the finite model of the base shell, a new electromechanically coupled model for the nonlinear system will be established. （2）According to the actuation equations, actuation characteristics of the MFC actuators will be investigated and optimization for the structure parameters, positions, driving voltages, and distribution of the actuators will be carried out. Moreover,experimental tests are arranged to obtain the parameters of the actuator and to verify the analysis and optimiaztion. (3)Control algorithms for the large deflection vibrations of shallow shells with low frequencies will be developed and optimization for the algorithms will be followed, a series of control simulation would be arranged to verify the algorithms and optimization methods proposed. (4)Experimental technique for active control of large deflection vibrations of double-curved shallow shells would be explored. Control system and experimental setup would be designed and established to eliminate the disadvantages induced by the hysterisis of the piezoelectric material, the delay led by the experimental apparatuses and noises excited by the structure vibration. Active vibration control experiments would be carried out to verify the theory analysis and optimization for the actuators and control algorithms.

双曲扁壳广泛用于大型轻质柔性航天结构，外部的环境条件极易引起扁壳发生大挠度的低频振动，严重威胁结构的安全性和可靠性。目前针对双曲扁壳大挠度低频振动控制的研究尚属空白，因此本项目拟开展以下工作：（1）建立基于MFC作动器的双曲扁壳的线性、非线性机电耦合解析模型以及作动器的作动解析模型，结合作动解析模型和壳体有限元模型，发展并建立局部附加MFC作动器的双曲扁壳机电耦合混合模型，研究基于MFC作动器的双曲扁壳系统动力学特性。（2）基于作动解析模型，研究作动器结构参数、位置、驱动电压等对作动力/力矩的影响规律，完成作动器的布局优化研究，并进行试验验证。（3）提出适合双曲扁壳大挠度低频振动的控制算法，仿真分析不同控制算法下双曲扁壳的振动控制效果。（4）搭建系统振动控制试验平台，开发双曲扁壳大挠度低频振动控制试验技术，验证理论模型和优化方案，实现双曲扁壳的大挠度低频振动主动控制。

双曲扁壳广泛用于大型轻质柔性航天结构，外部的环境条件极易引起扁壳发生振动，严重威胁结构的安全性和可靠性。本项目围绕双曲扁壳结构的压电振动主动控制开展了相关的研究工作。主要工作包括：(1) 建立了基于MFC作动器的圆柱壳以及双曲扁壳的机电耦合解析模型以及作动器的作动解析模型，结合作动解析模型和壳体有限元模型，建立了局部附加MFC作动器的双曲扁壳机电耦合混合模型，研究了基于MFC作动器的双曲扁壳系统动力学特性。(2) 基于作动解析模型，开展了作动器位置优化研究以及驱动电压等对作动力/力矩的影响规律研究，给出了MFC作动器在控制结构弯曲和扭转振动时粘贴方位和位置的优化原则。(3) 建立了局部附加MFC的几何大变形梁的振动控制模型，开展了非线性振动控制算法研究，结果表明模糊控制算法可以有效地控制梁的非线性振动，将该算法推广到扁壳结构上，开展了双曲扁壳结构的模糊控制仿真计算，表明模糊控制器可以有效地抑制壳体结构的弯曲与扭转振动控制。(4) 搭建了扁壳结构的振动控制试验平台，开展了扁壳结构弯曲和扭转振动控制试验，对比了PD控制与模糊控制效果，结果表明模糊控制可以根据控制效果动态调整控制增益，克服了PD控制中增益系数固定不变导致的控制效率低的缺陷。(5) 将MFC作动器以及模糊控制算法推广应用到2关节伸展臂的刚柔耦合振动主动控制中，建立了2关节柔性臂的动力学模型，分析了其动力学特性，采用2片MFC作动器完成了2关节伸展臂的模糊PID振动控制，取得了良好的振动控制效果。(6) 根据压电材料在曲面结构上作动能力大于平面结构的特点，推断其在曲面结构的俘能特性优于其在平面结构的俘能特性，建立了多层PVDF薄膜粘贴在双曲壳局部表面的压电俘能模型，推导得到了压电层上的电压与壳体的变形几何关系，研究了壳体曲率半径对电压的影响，设计了基于PVDF薄膜的曲梁和直梁的俘能试验，开展了压电材料在曲面结构上的俘能试验研究，理论和试验结果验证了推论的正确性，表明压电材料在曲面结构上的俘能特性明显优于平面结构上的俘能特性，多层压电层串联的俘能效果优于单层俘能效果。此外，在项目资助下还开展了隔振器的相关设计与研究工作。项目的研究结果和试验技术为压电材料在曲面结构及刚柔耦合机构振动主动控制应用方面提供了理论依据和技术参考，也为压电材料在俘能应用方面提供了理论和试验技术。