0-3极化PLZT-PVDF双向复合驱动构型的力学建模及其在柔性曲壳多模态振动非接触主动控制中的应用

This project aims at applying smart structures to aeronautical and astronautical fields, and emphasizes the investigation of mechanical models of 0-3 polarized PLZT and key scientific problems of control methods for non-contact active vibration control of flexible curved shells. Firstly, an equivalent characteristic constitutive equation is founded and the coupling numerical simulation method is developed. Secondly, a novel hybrid PLZT-PVDF actuator driven by persistent photovoltage of PLZT is designed to deform in negative direction. This kind of actuator overcomes the deficiency of one-way actuation and discharge by short circuit. Furthermore, a novel pathway for active vibration control via sliding mode control, self-organizing fuzzy control and iterative learning control will be explored to handle the troublesome problems such as parametric uncertainties, exterior disturbance, and time delay of control and nonlinear property of actuators. Lastly, a multiple modal vibration control method for curved shell structures is established and the correlative experimental verification is conducted. The investigation of the present project can give an impetus to the development of structural vibration active control and its real-world applications. Furthermore, the indispensable foundation for theories and techniques can be established to impel the development of active vibration control and capture the key problems for the vibration control of the important equipments and the national lifeline engineering.

本项目以智能材料结构在航空、航天领域的应用需求为牵引，重点研究0-3极化PLZT的力学建模及柔性曲壳多模态振动非接触主动控制中的关键科学问题。主要研究内容包括：建立0-3极化PLZT的物理模型和多场耦合数值模拟方法；提出一种利用0-3极化PLZT残余电场进行反方向驱动的PLZT-PVDF双向复合驱动方式，克服现有研究中需要对PLZT进行短接放电以及膜向驱动力的单一性问题；针对系统参数不确定性、外部扰动、控制时滞及驱动器的非线性驱动特性等棘手问题，探索基于滑模变结构控制、自组织模糊逻辑控制、迭代学习控制等智能控制算法的主动控制新途径，实现基于PLZT-PVDF双向复合驱动构型的曲壳结构多模态振动主动控制，并进行相关实验验证。项目的研究成果能进一步促进结构振动主动控制理论的发展、完善和工程应用，可望为攻克重大航空、航天装备的振动控制中的关键技术问题奠定必要的理论和技术基础，具有广阔的应用前景。

本项目以智能材料结构在航空、航天领域的应用需求为牵引，重点研究0-3极化PLZT的力学建模及柔性曲壳多模态振动非接触主动控制中的关键科学问题。主要研究内容包括：建立了用于光电层合梁、板、壳结构多场耦合分析的有限元模型，此模型考虑了层合的驱动器对受控结构本身特性的影响，而且对于复杂的边界条件也易于计算；参考欠驱动控制理论中的二级滑模面思想，以各受控模态的位移和它们的速度信号线性组合构成各模态的一级滑模函数，进而将所有一级滑模函数进行线性组合构成二级滑模函数，所提出的SOFSMC主动振动控制算法通过引入二级滑模函数，降低了系统的控制阶数，简化了模糊控制系统的结构；通过引入自组织学习算法实现了控制器规则的在线学习，克服了常规模糊滑模控制器依赖系统规则的缺点；搭建了0-3极化PLZT陶瓷的静态实验平台，实验研究了0-3极化PLZT 陶瓷在不同光照强度下温度、光生电压、光生电流与弯曲变形的变化规律，观察到了弯曲变形与光生电压之间的迟滞现象以及光停阶段出现反向电压、反向电流及反向弯曲；通过风冷装置控制了0-3极化PLZT 陶瓷片的温度，实验测量风冷时0-3极化PLZT 陶瓷片光致特性，与未风冷时多物理场的光致特性对比，温度下降会导致光照阶段饱和光生电压降低，但对弯曲变形影响不是很明显，在光停阶段，反向电压是由于0-3极化PLZT 陶瓷放电和温度下降导致的热释电电压共同造成的；最后基于0-3极化PLZT陶瓷多物理场耦合的本构方程和RC电路，建立了其多物理场含时间参数的数学模型，由实验数据拟合出模型参数，对比实验曲线与理论曲线，验证了模型的合理性。项目的研究成果可望进一步促进结构振动非接触主动控制理论的发展、完善和工程应用，可望为攻克结构振动非接触振动主动控制中的关键技术问题奠定必要的理论和技术基础，具有广阔的应用前景。