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由于桁架结构具有构造简单、拆装和运输方便等特点,因而被大量应用于航空航天、桥梁、建筑和车辆辞行业。特别是随着计算机的发展,空问桁架结构得到日益广泛的应用;在土木工程中,应用广泛的网壳结构、罔架结构和塔架结构等都属于空间桁架结构体系;在航天工程中。运载火箭仪器舱、人造卫星天线塔、船箭接口支架以及空间站骨架结构等也是采用桁架结构。由于这类结构具有挠性大、固有频率低、阻尼小、质量轻等特点,同时由于特殊的工作环境等原因,必须满足特定的稳定性和振动性能要求,对它进行稳定分析一直以来都是有限元应用中最有兴趣的课题之一。
目前,对这类结构的稳定性分析和智能控制还少有研究。这主要是由于稳定问题本身很复杂,影响因素很多,而关于结构失稳的实用判别准则学术界还没有一个统一的认识,同时结构在恒载、风荷载以及地震随机荷载等的作用下,稳定问题属于非线性大变形范畴,这就使得问题研究的难度明显增加。传统的肪止结构失稳的方法主要依靠增大杆件截面面积、控制杆件长细比等方法来实现,其结果是结构一经设计、制造安装完成之后,其性能和用途等均很难改变.不能适应飞速发展的大跨度大空间结构的多功能要求。
近年来,材料、控制、信息、微电予和计算机科学与技术的迅速发展.特别是智能材料结构系统的研究取得了突破性进展,为大跨空间结构的智能控制提供了依据。因此,本文将压电智能材料引入普通桁架结构中,利用压电智能材料特殊的物理力学性能。即独特的正、逆压电效应对结构进行主动稳定控制,以便从根本上解决这类结构的稳定问题。具体内容如下:
论文首先根据压电材料的基本力学性能设计了一种适宜于桁架结构稳定控制的压电主动秆件。该杆件是在普通杆件中局部嵌入压电堆,即局部由压电堆单元组成,压电堆单元由压电陶瓷薄片叠舍而成.力学上串联,电学上并联,从而实现了大驱动力和大驱动位移的要求,同时也可减小驱动电压过高的要求,在工程结构的主动控制中具有较好的应用前景。按照上述方法设计的压电主动杆件,既能实现对结构承载力的主动控制,又可实现对结构性能的主动检渊和主动稳定控制。
其次,文中还建立了压电桁架结构的有限元模型,推导出压电桁架结构在静力作用下的机电耦舍刚度矩阵,并分别对压电主动杆件和普通杆件进行了有限元分析。根据势能驻值原理建立了压电桁架结构的稳定特征方程,通过对该方程的求解得到结构的屈曲临界荷载,分析了压电材料对结构静力稳定性控制的效果。
最后.推导了压电桁架结构在周期性荷载作用下的Malhieu—Hill方程,并分别在考虑阻尼和不考虑阻尼的情况下,推导了求解压电桁架结构的动力不稳定区域的方法,分析了压电材料对结构动力不稳定区域的影响;建立了压电桁架结构在阶跃荷载作用下的增量刚度方程,并分析了压电材料对结构动力临界荷载的影响。研究结果表明,文中所提压电主动杆件可以有效地增强结构的静、动力稳定性能,在结构的稳定控制中具有很好的应用前景。