功能梯度压电材料板的静动态响应及主动控制

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功能梯度压电材料(FGPM)是一种新型的不均匀复合材料,其机械性能从一个表面到另一个表面平滑且连续地变化。与传统分层压电复合材料相比,此种材料具有各种优点,如去除应力集中和承受高温梯度,并且可以使用功能梯度压电材料板中压电材料组分来实现结构的振动主动控制。因此,功能梯度压电材料被广泛应用于船舶,航天器和空间结构等诸多领域。本文深入系统地研究了热电力荷载作用下功能梯度压电材料板的静动态响应及主动控制。首先建立了热电力荷载作用下功能梯度压电材料板的动力学方程,建模过程中使用了一阶剪切变形理论(FSDT)和Hamilton变分原理,并考虑了温度和电场在厚度方向的梯度分布。采用假设模态法对系统的运动方程进行离散化,并给出了四边简支边界条件的模态函数。在对结构进行分析之前,本文对公式和MATLAB计算程序进行了有效性验证。在此基础上,开展了进一步研究。对于结构的静态分析,本文研究了梯度分布指数、温度、机械荷载参数对功能梯度压电材料板中心点挠度和轴向应力的影响。采用机械荷载反馈控制法对功能梯度压电材料板的静态响应进行控制,研究了弯曲控制增益和机械荷载参数对结构主动控制的影响。对于结构的动态响应,本文分析了温度、输入电压和梯度分布指数对结构固有频率的影响。采用速度反馈和LQR控制算法设计了结构的振动主动控制器。并对比了两种控制器对功能梯度压电材料板的振动主动控制效果。在功能梯度压电材料板振动主动控制研究的基础上,本文提出了一个改进的功能梯度材料特性分布方程,研究了结构的振动主动控制优化设计。其中,结构的主动阻尼将通过速度反馈控制方法获得。对比分析了两种压电材料分布类型对结构振动主动控制的影响,从而选取了一个最优的压电材料梯度分布函数。在此基础上,研究了控制电压施加位置对功能梯度压电材料板振动主动控制的影响。
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