基于压电智能结构的振动环境适应性设计新方法

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1、基于压电智能结构的振动环境适应性设计新方法姚军1朱振宇2（1北京航空航天大学工程系统工程系，北京1001912中国航天空气动力技术研究院特种飞行器总体技术设计部，北京100074）摘要：本文针对最为常用的具有机电耦合特性的压电类智能结构，探讨它在装备环境适应性设计中的关键技术和工程应用潜力。从压电材料的本构方程出发，推导建立了粘贴大量分布式压电陶瓷的结构多输入-多输出机电耦合模型，提出了“压电模态”的概念；随后通过类比现代结构控制理论，提出了准独立模态控制方法，最后通过多阶模态控制试验验证了模型与控制方法的有效性与正确性。研究结果表明了压电类智能结构能大幅提高结构阻尼，用于航空航天

2、结构振动环境适应性设计具有的巨大的优势和应用潜力。关键词：环境适应性，智能结构，压电材料，智能控制Abstract:Thispaperintroducesthemosttypicalpiezoelectricintelligentstructures,anddiscussesthekeytechnologyandpotentialprospectofintelligentstructuresinapplicationofequipmentenvironmentalworthinessdesign.Themechanicsandelectroniccouplingmodelofpie

3、zoelectricstructureswhichcoherewitharelargenumberofdistributedpiezoceramicarededuced,basedonthepiezoelectricequations.Aconcept,"piezoelectricvibrationmodes",ispresented.Aquasi-independentmodal-spacecontrolapproachispresentedbycomparingmoderncontrolmethod.Theexperimentprogressandresultsformulti

4、plemodaldampingcontrolshoweffectivenessandvalidityofthecontrolapproach.Theresearchresultsshowpiezoelectricintelligentstructurescanincreasestructuredampingenormously.Theyhavegoodadvantageandpotentialprospectinapplicationofenvironmentalworthinessdesign.Keywords:Environmentalworthiness,Intelligen

5、tstructures,Piezoelectricmaterial,Intelligentcontrol1前言振动、冲击、噪声等力学环境是影响航空航天装备可靠性的重要因素，如何提高航空航天结构的耐力学环境能力是目前研究的热点问题。传统上多采用各种被动控制的方法如隔振器，缓冲器、阻尼板，消声器等。然而伴随着武器装备特别是航空航天产品的飞速发展，装备质量越来越轻，结构越来越柔性化而环境变得更多种多样，严酷的力学环境所造成产品的故障日益显著，传统的被动控制技术几乎被公认为不能令人满意地解决新面临的问题。人们把更高的控制质量寄托在带有分布式作动元件的主动控制上。近二十年来压电材料为代表的“

6、智能材料”和以微计算机为标志的电子硬软件及各种现代控制策略和优化算法革命性的发展为这一愿望的实现提供了物质基础。以“智能材料”和微计算机为核心构成的“智能结构”[1-4]，成为当今的热门课题，一个理想的智能结构事实上就是一个“机器人”。它通常包含以下各要素具有附着的或埋入的或内在的传感器，并且一般应是分布式的，用以感受、测量所关心的产品结构状态参量和环境变量。具有附着的或埋入的或内在的作动器，并且一般应是分布式的，用以达到所需的结构状态。具有附着的或埋入的或内在的分析与控制器，用以根据传感器的输入实时控制作动器使结构达到需要的自适应或“智能”状态。压电材料由于具有质量轻，线性度高，

7、作用力大，便于分布式布置等优点，受到人们广泛关注，由它所构成的智能结构，能对一些事先无法预计的复杂环境具有一定的自适应能力，或者说本身具有自我“学习”与自我“修正”能力，对环境效应的控制效果好；在一些尖端领域，国外已开始将这种新的技术运用到武器装备研制中，如对军用电子产品进行电子阻尼设计，德国结合现代控制理论开展耐严酷环境的智能结构方面研究，并应用于直升机旋翼的环境适应性设计中，美国采用压电类智能材料用于潜水艇的消声处理，都取得了良好功效。本文重点介绍最为常用的具有机