充液管道流固耦合振动的主动控制方法和机理研究

Fluid filled piping system is widely used in ship and submarine,of which vibration and noise level seriously affected the concealment performance of submarine. Since the vibrational energy in pipes transmits simultaneously through the liquid and the pipe wall, which leads to a complex problem of fluid-structure interaction, it is very difficult to control the whole energy transmission only by separately control the structure vibration or fluid pulsation. In response to this problem, a new control method is proposed in this project which can effectively control the coupled vibration energy transmission in fluid filled pipes. A tubular PZT actuator is adopted and set in fluid filled pipe system in series as part of its tube section. Through the control of the deformation of the actuator, active control of the pressure pulsation in the pipeline system is realized, and at the same time the vibration energy transmission in the pipe wall is isolated effectively. The project aims to put forward the reasonable, effective active control strategy and approach to reduce the fluid-structure coupled vibration in liquid filled pipe system. The main research works for the project include the modeling of the mathematical physical model of the tubular PZT actuator in liquid-filled pipes, appropriate error sensing strategies and sensing method and the modeling of uniform active control model of the system for numerical simulation and theory research. On the basis of the system modeling, active control mechanisms will be analyzed and revealed numerically and theoretically, and the corresponding results and control method is verified by experiments. The objective of the project is to provide an active control method and technique to reduce effectively the fluid-structure coupled vibration energy transmission in order to improve the concealment of the submarine.

充液管道系统在舰船中广泛应用，其振动噪声水平严重影响舰船的隐蔽性能。由于管道中振动能量同时通过液体和管壁传播，是一个复杂的流固耦合问题，很难单独通过控制结构或流体来控制整个系统能量的传递。针对这一关键问题，本课题提出一种能有效控制充液管道耦合振动能量传递的主动控制新方法，采用管状PZT 作动器串在充液管道系统中作为其一部分管段，通过控制该作动器的变形，实现控制管道系统压力脉动的同时隔离管壁振动能量的传递。旨在提出合理、有效的控制充液管道流固耦合振动问题的主动控制策略，建立充液管道中管状PZT作动器的数学物理模型，给出合适的误差传感策略和传感方法，并建立PZT次级作动和误差传感统一的主动控制模型进行数值模拟和理论研究，分析揭示管状PZT作动和主动控制机理，相应方法通过实验验证。从而获得一种能有效抑制管道流固耦合振动的主动控制方法，为舰船管路系统振动噪声的控制提供新的思维、控制策略和控制方法。

本课题提出一种能有效控制充液管道耦合振动和声能量传播问题的方法，即采用径向极化的管状PZT作动器，作动器串在充液管道系统中作为其一部分管段，通过控制管状PZT作动器的变形，控制管道系统的压力脉动的同时隔离管壁振动能量的传递。本课题建立了充液管道中通用压电材料管状作动器结构的耦合动力学模型，只需改变功能梯度压电材料模型中的体积分数指数便可得到不同材料属性的压电材料结构动力学模型，分析揭示了其作动机理；提出了合理、有效的充液管道流固耦合振动和声能量传播的主动控制策略，给出了合适的误差传感策略和传感方法，并建立了相应的主动控制模型进行数值模拟和分析研究，分析揭示了系统参数对主动控制性能的影响规律及相应的控制机理。在主动控制系统中，从控制器输出到误差传感器之间的物理传递通道称之为次级通道（误差通道），这个环节的存在严重影响主动控制系统的稳定性和控制性能，为此，研究给出了一种改进的具有误差通道扰动辨识建模功能的自适应主动控制算法，通过数值仿真验证了算法的适用、有效和快速收敛性能。最后，研制了管状PZT 作动器，设计建立了充液管道主动控制实验系统和台架，编制了相应的自适应控制算法程序软件，并采用开发的浮点DSP 高速信号处理板作为控制器，进行了充液管道噪声主动控制实验。本课题研究成果可为充液管道流固耦合振动和声能量传播的控制问题提供理论和方法参考，为舰船管路系统振动噪声的控制提供新的方法和技术支撑。