轻质点阵夹芯结构主被动一体化振动控制研究

本项目将基于波带隙机理、并采用压电材料对轻质点阵夹芯结构的主被动一体化振动控制进行系统的理论和实验研究，力争探索出一套适用于点阵夹芯结构的主被动一体化振动控制新方法。建立二维和三维轻质点阵夹芯结构声子晶体分析新模型，计算其能带结构，确定频率通带和禁带，计算振动和波的透射率和吸收率，分析结构的隔振和隔声性能；建立含有压电材料智能传感器和驱动器的点阵夹芯结构多场耦合动力学模型，将基于波带隙机理的被动振动控制和基于压电材料的主动振动控制方法相结合，进行主被动一体化振动控制研究，给出理论分析和数值计算结果；在此基础上研制二维和三维点阵夹芯结构，利用振动测试技术对上述问题进行相应的振动控制实验研究，验证理论分析和数值计算结果。研究成果可望为轻质点阵夹芯结构的振动控制和动力学优化设计等问题提供新的方法和思路，对促进波带隙理论在结构振动和噪声控制中的应用具有重要意义。

以点阵夹芯结构为研究背景，基于周期结构的振动带隙机理，采用压电材料对点阵夹芯结构的振动控制问题进行了系统研究。主要研究内容和研究成果包括：(1) 研究了二维周期点阵结构和周期平板结构的振动带隙和隔振机理。采用谱元法建立了周期点阵结构和周期平板结构的动力学方程，构造这两种周期结构基本单元的谱方程，进而组装整体结构的动力学方程，在频域下求解整体结构的动力学方程，获得结构的频响曲线。通过分析频响曲线，揭示了周期结构的振动带隙和隔振机理，研究振动和波的传播规律。(2) 研究了三维波纹夹芯板周期结构和三维Kagome点阵周期结构的振动和波传播规律，分析其振动带隙特性。采用谱元法建立周期结构的平板单元和杆件单元的谱方程，组装每个子结构的谱刚度矩阵，进而建立整体波纹夹芯板和Kagome点阵结构的动力学模型，计算结构的频响曲线，分析结构的振动带隙特性。研究发现，谱元法可以有效地用于研究复杂周期结构的振动带隙规律，尤其在高频区域可以获得准确的计算结果。分析了材料性质、结构阻尼、结构构型等参数对周期结构振动频带的影响规律。(3) 研究了复合材料层合板壳结构的非线性振动和颤振主动控制。采用von Karman大变形理论模拟几何大变形，采用超声速活塞理论模拟非定常气动力，采用Hamilton原理和假设模态法建立复合材料层合板壳的运动方程。提出一种处理非线性颤振控制的方法，即采用离散的LQG控制算法求解非线性控制方程。分析热效应、铺设角、气动压力和非线性效应对结构气动弹性稳定性的影响，分析不同控制方法对结构气动热弹性颤振的控制效果。(4) 研究了三维金字塔点阵夹芯梁结构的振动和颤振主动控制。考虑了夹芯层芯子的剪切变形，剪切变形利用Reddy剪切变形理论模拟。压电材料粘贴在夹芯梁的上下表面作为作动器和传感器，采用Hamilton原理和假设模态法建立点阵夹芯结构多场耦合动力学模型，采用速度反馈、LQR和H∞控制算法等设计控制器。对比了点阵夹芯梁与普通复合材料层合梁的振动特性，分析了点阵夹芯结构在动力学方面的优越性。分析了不同控制方法对点阵夹芯结构振动主动控制效果的影响，研究发现鲁棒控制器的控制效果更好。研究成果可望为轻质点阵夹芯结构的振动控制和动力学优化设计等问题提供新的方法和思路，对促进振动带隙机理在结构振动和噪声控制中的应用具有重要意义。