毕业设计（论文）-随机智能结构振动控制优化.doc

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1、毕 业 设 计（论 文）题 目： 随机智能结构振动控制优化 院（系）： 自动化学院 专 业： 自动化 班 级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 教授/讲师 起止时间： 摘 要2Abstract31绪论11.1智能结构的提出与发展11.2智能材料21.2.1压电智能材料分类21.2.2压电智能材料在结构振动控制中的应用21.3智能桁架结构参数具有随机性时振动控制优化问题31.4本文研究的主要内容32智能结构有限元建模52.1概述52.2智能桁架结构的有限元分析52.2.1被动杆单元的有限元分析52.2.2主动杆单元的有限元分析62.2.3混和单元的有限元分析92.3随机智能桁架结构动力特性分析1

2、02.3.1随机智能结构的质量矩阵102.3.2随机智能结构的刚度矩阵152.3.3随机智能结构动力特性的数字特征212.4小结233随机智能桁架结构振动主动控制中的优化253.1引言253.2控制律253.2.1控制律的选择253.2.2状态方程263.3主动杆优化配置数学模型263.3.1外荷载为随机力273.3.2外荷载为随机过程（平稳、非平稳随机过程）力283.4可靠性约束的等价显示化处理283.4.1分布函数法283.4.2可靠性安全系数法293.5具有动应力和动位移可靠性约束等价显示化的优化数学模型303.5.1外荷载为随机力303.5.2外荷载为随机过程（平稳、非平稳随机过程）力

3、314优化算例和控制结果仿真334.1程序设计334.2外荷载为随机力334.3外荷载为随机过程（平稳、非平稳随机过程）力38致谢43参考文献44摘 要 智能结构因其具有响应快、自适应、自判断等优点，因此智能结构振动控制在结构设计与控制中具十分有重要意义，它成为当今国内外结构设计与控制领域中研究的热点。本文以压电智能桁架作为研究对象，先对随机参数智能桁架结构进行有限元分析，然后利用随机因子发构建智能桁架的动力特性模型。以速度负反馈作为闭环控制律，基于最大耗散能准则，建立了以传感器/作动器的位置和控制系统增益为设计变量，具有动力响应(应力响应和位移响应)可靠性约束的压电智能梁结构传感器/作动器优

4、化配置的数学模型。最后对智能桁架主动杆进行优化并用Matlab进行仿真。关键词：智能结构 有限元 振动控制 优化 随机参数AbstractSmart structure has the advantages of fast response, adaptive, self-judgment, So the vibration control of smart structures in structural design and control with great significance. It became a research focus in todays domestic and

5、international design and control areas.In this paper intelligent truss as the research object, random parameters of intelligent truss structure analysis with random parameters. Model with a random factor to the dynamic characteristics of the intelligent truss. Based on the maximum dissipation criter

6、ion, speed negative feedback as a closed-loop control law. Establish the design variables of location feedback and control system gain to the sensor/actuator. A dynamic response(stress response and displacement response) reliability constraints piezoelectric smart beam structure sensor/actuator opti

7、mal allocation of mathematical models. The last initiative for intelligent truss rod optimization simulation using matlab.Key Words: Smart Structures Finite Element Vibration Control Random Parameters41 绪论1.1 智能结构的提出与发展由于现代材料科学、机械汽车工业、航空航天和土木工程等行业的飞速发展，对材料和结构系统的性能提出了新的要求，极大的推动了新型材料和大型柔性空间结构的发展。许多空间结

8、构的具体运行环境要求它们具有高柔性、高强度、重量轻、耐疲劳，耐腐蚀等特点，而传统的单一材料难以同时满足这些要求。20世纪80年代末期人们提出了智能材料的概念，智能材料有及时感应并诊断外部环境变化，对周围环境改变迅速作出响应调整自己适应环境变化的能力，同时它还具有自适应、自学习、自组装、自恢复、预告寿命等功能。智能材料的出现为解决实际工程中普通材料无法实现的问题开辟了一条新的途径。工程应用需要和对智能材料的深入研究，推动了智能结构的产生与发展。近十几年以来，随着材料、控制、微电子和计算机科学技术的迅速发展，特别是新型传感器和作动器的研究取得突破性进展，在结构控制设计中，不断采用新型传感器和作动器

9、集成在结构中，替代了传统传感器和作动器在结构控制中所起的作用，逐步形成了传感元件、作动元件、控制器和主体结构集成的一体化结构形式，促进了结构设计中新技术的发展，产生智能结构这种崭新的现代结构概念。 智能结构是一种仿生结构体系,它集主结构、传感器、控制器及驱动器于一体,具有结构健康自诊断、自监控、环境自适应以及损伤自愈合自修复的生命特征及智能功能,在危险发生时能自己保护自己。智能结构系统的诞生是信息学科与工程及材料学科相互渗透与融合的结果。智能结构已在军用航空航天,民用航空航天、汽车、船舶、土木工程及水利工程方面展现出广阔的应用前景。经过十几年的发展智能结构材料已经有了很大的发展。其在国防和民用

10、领域潜在的应用价值己引起人们的极大关注。目前我国在智结构及其系统的研究尚属起步阶段，对智能结构及其应用的研究、取得了一些研究成果，但对该领域的研究仍在不断地探索中。1.2 智能材料智能材料，是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。1.2.1 压电智能材料分类（1)压电晶体，主要有:石英晶体、罗息盐、磷酸二氢按和妮酸铿等。通常压电晶体多为天然单晶体，其压电性较弱

11、，介电常数很低，不易制作成型，且造价昂贵。但其压电常数和介电常数的温度稳定性好，常温下凡乎不变，机械强度和品质因子高，且刚度大，动态特性好。（2)压电陶瓷，以铁电陶瓷为主，如:错钦酸铅(PZT ) ,钦酸钡、偏妮酸铅等。这类压电材料一般具有较强的压电性，介电常数高，方便加工成形，且制作工艺简单。但其机械品质因子较低，电损耗大，稳定性欠缺。目前应用最广泛的压电陶瓷主要有单元系压电陶瓷 (B aTi03 , PbTi03等)、二元系压电陶瓷(PZT)以及三元系压电陶瓷。（3）压电聚合物，也称有机压电材料，目前最具实用价值的压电聚合物是偏聚氟乙烯（PVDF）。压电纤维及其聚合物具有材质柔韧、低密度和

12、易制作成薄膜等优点，同压电陶瓷相比PVDF薄膜的压电应变常数较低，机电祸合系数也较小，但其压电常数大，适合用作传感元件，因而广泛用于压力、加速度、温度、声和无损检测等方面。（4)压电复合材料，压电陶瓷一聚合物压电复合材料兼有陶瓷和聚合物两者优点，并能弥补各自缺点，其性能与复合材料的组成密切相关。压电复合材料比传统单一的压电陶瓷或聚合物有显著的优越性，如柔韧性好、易于大面积成型、特性可根据设计进行调整、压电系数高、与水和空气的声阻抗匹配性好等许多优点。1.2.2 压电智能材料在结构振动控制中的应用压电材料具有自感知、自适应、自调节、高频宽、易成形、方便粘贴于结构表面或埋置于结构内部等特点，从而成

13、为弹性结构主动控制中最受欢迎的智能材料。压电材料在结构振动控制中的应用涵盖了航空航天、车辆工程、土木工程等领域，这些行业的结构或构件在运行期间易遭受外界环境的干扰而发生不期望的振动，长时间的反复振动而导致构件的损伤或疲劳破坏。目前压电材料用于振动控制的理论研究主要集中在梁、板等大型空间结构的基本构件的振动腔制中。1.3 智能桁架结构参数具有随机性时振动控制优化问题智能桁架结构振动控制在结构设计与控制中具十分有重要意义，因此它成为国内外结构设计与控制领域中研究的热点。由于随机参数压电智能桁架结构振动控制较确定性参数智能结构振动主动控制问题复杂得多，迄今为止所见到的智能结构振动主动控制模型大多都属

14、于确定性模型，即将结构的全部参数均视为确定性量。在许多情况下，结构本身和作用荷载的随机性是客观存在的。例如，一类大宗的或批量生产的结构，其物理参数取值往往具有分散性，其结构几何尺寸的加工和在装配中都不可避免地会产生偏差;其所受地震、风荷等作用荷载的幅值和频率往往具有不确定性。所以，确定性的模型将无法反映出结构参数的随机性对结构振动主动控制的影响。因此，进行随机参数情况下的智能结构振动控制问题的研究是一个不可避免问题。对于具有随机参数的智能结构振动主动控制问题，确定性参数智能结构振动控制的方法已无能为力，须借助于基于概率(即可靠性)的振动控制模型和方法。所以，随机参数智能桁架梁结构振动控制是目前

15、需要研究的重要课题。确定性参数智能结构振动控制的研究在国内外已有了一些成果，但还不成熟，但对不确定性参数智能结构振动主动控制的研究就非常少了，所以开展对随机参数压电智能桁架结构振控制问题的研究具有非常重要的理论意义、学术价值和工程应用价值。1.4 本文研究的主要内容本文以随机智能桁架的振动为例，对随机参数智能结构振动控制及优化做为研究的主要问题。文中主要进行了基于概率的智能桁架结构动力特性分析研究、动力响应分析研究;建立了基于最大耗散能准则并且具有动力响应可靠性约束的随机智能桁架结构的传感器/作动器优化配置的数学模型。本文完成的主要工作包括以下几个部分:1、论述了本文的研究背景及目的，概述了随机智能结构振动控制领域的发展现状、国内外研究现状和振