光致形状记忆薄壳结构多场耦合及非接触式控制

With the characteristics of high strength and weight ratio, thin shell structures are commonly applied in aerospace and mechanical engineering structures. Through employing smart materials as sensors and actuators, shell's strength and control accuracy can be enhanced, leading to a new era of engineering structures. Light activated shape memory polymer (LaSMP) exhibits low density, large deformation, non-contact actuation and no temperature change during transformation. It is a novel smart material with great application potentials. This research aims to study the light/force coupling relationship of LaSMP, model its actuation mechanism, establish the photo-mechanical governing equations of LaSMP/shell coupled systems, develop the control methods of LaSMP actuators, and establish the distributed control theory of LaSMP/thin shell coupled systems. Furthermore, this research plans to investigate static deformation and dynamic responses of non-shell structures, such as cantilever beams, rectangular plates, and also thin shell structures, such as conical shells and cylindrical shells coupled with LaSMP, measure the material properties of LaSMP, design and fabricate the LaSMP/thin shell model for experiments, validate the control effects of LaSMP. Finally, the results of theory model, numerical simulations and experiments are compared to establish design criteria and application guides of LaSMP/ thin shell structures.

薄壳结构的比刚度高，在航空、航天、机械等工程中应用广泛。光致形状记忆聚合物具有密度小、变形大、变形过程中无温度变化、非接触式控制的特性，是一种非常有应用前景的新型智能材料。光致形状记忆作动器通过光、弹耦合效应作用于薄壳结构，可改变薄壳结构的刚度并进行动态振动控制。本项目研究光致形状记忆聚合物材料的光、弹耦合效应，对其在光照射下的作动机理进行理论建模，建立光致形状记忆作动器与薄壳结构的多场耦合动力学方程，构建智能结构中光致形状记忆作动器的控制策略，奠定基于光致形状记忆作动器的分布式智能结构控制理论基础。对于梁、板等非壳结构及常见的薄壳结构（如锥壳、柱壳等）进行动/静态控制。测定光致形状记忆聚合物材料参数，设计光致形状记忆/薄壳结构模型，确定实验方案并搭建实验平台，验证其控制效果。将理论模型、数值模拟结果与实验作对比验证，建立光致形状记忆薄壳结构的设计准则及应用指南。

本项目研究了光致形状记忆聚合物（Light-activated shape memory polymer，简称LaSMP）的光弹耦合效应，基于化学动力学理论建立了通用的本构关系模型。基于哈密顿变分原理，建立了LaSMP层合的双曲率薄壳结构的光弹耦合动力学方程。将动力学方程简化到光致形状记忆层合开口圆柱壳、圆锥壳及开口圆环壳结构，验证了动力学模型的正确性。通过模态叠加法推导了光致形状记忆薄壳结构的独立模态控制过程，以及LaSMP作动器的模态控制力。制备了含螺化喃的LaSMP试样，测量了材料的吸光度等基本参数及性能，并对试样进行紫外光照射下的单轴拉伸和双轴拉伸实验。基于LaSMP在无初始应变时杨氏模量的变化特性，对圆柱壳结构和悬臂梁结构进行了频率控制分析，建立了LaSMP层合圆柱壳的动力学方程，并过一步简化得到层合悬臂梁的动力学方程。根据欧拉梁理论及阶梯梁理论分析了层合悬臂梁的固有频率，同时分析了LaSMP作动器的长度、位置等因素对频率控制范围的影响。进一步制作LaSMP层合弹性梁结构，通过实验验证了作动器对悬臂梁结构的固有频率控制效果。研究了LaSMP作动器对圆环壳结构和抛物柱壳结构进行独立模态振动控制。对于圆环结构在简谐激励下的振动, 针对LaSMP作动器的非线性特征，采用了相位偏移法和神经网络控制两种方法控制光强以提高作动器对圆环振动控制的效果；对于抛物柱壳结构的振动控制，通过分析LaSMP作动器在抛物柱壳结构表面的模态力分布情况，对抛物柱壳的自由衰减进行了独立模态控制研究。此外，还研究了等几何分析法在LaSMP板壳频率控制中的应用，通过梁、板、圆柱壳实例证明等几何分析法在板壳控制方向应用的可行性与准确性。本项目的研究为智能结构与电子系统的设计提供了新方法，并提供了一些理论与实验依据。