压电液压振动控制器的基础理论与关键技术研究

提出通过压电流体耦合作用同步实现发电与振动控制，研究这种半被动振动控制能力的形成理论与方法，进而构造体积小、结构紧凑、强度高、通用性强且能量自给的微小型压电液压振动控制器（包括隔振器和阻尼器），用于航空航天、行走机械等非结构环境的振动控制。主要内容：统筹考虑机电液系统的耦合关系，建立压电液压振动控制器的动力学模型，通过模拟仿真获得机电液系统要素以及振动条件对压电液压振动控制器性能的影响规律以及最优的参数匹配关系；研究基于同步开关能量回收技术的半被动控制系统，分析开关控制策略/电路形式/器件参数等对机械单元响应特性及频带宽度的影响规律，提取制约压电发电及能量存储/利用效率的关键要素，揭示压电发电供电所形成半被动振动控制能力的本质机理；以压电叠堆/晶片为换能器，进行两类控制器多种样机的制作与试验，获得最优的机械结构、能量回收方案及振动控制策略；试制样机至少2台，提供设计方法及关键制造技术参数。

压电陶瓷良好的机电耦合特性，在主/被动振动控制及能量回收这两个不同领域均有广泛应用。但因压电陶瓷易碎、变形量小，目前将压电振子直接作用于振动结构进行能量回收和振动控制的方法通常仅适于板/梁类简单构件、无法用于汽车发动机/悬架等低频、高强度振动场合。此外，压电主动振动控制虽效果好，但依赖于外界供给能量，而持续充足的能量实际中有时难以保证。鉴于压电振动控制及俘能技术所存在的问题，本项目提出通过流固耦合作用将压电俘能与振动控制相结合的新方法，研究了其功能/能力的形成理论与方法，所形成的压电液压控制器（包括隔振器及阻尼器）具有体积小、结构紧凑、强度高、通用性强等特点，可用于航空航天/行走机械等非结构环境的能量回收、振动的被动/自供能半被动/主动控制。针对压电振子变形小、流体可压缩的特点，从提高机电转换效率及抑振/发电能力的角度进行了系统研究：进行了不同载荷及边界条件下压电晶片换能器能量转换特性的建模仿真与结构优化，获得了电压（外力）作用下压电晶片换能器的结构/材料参数、边界条件、电压值或作用力形式/大小等对其驱动力/变形量/发电量的影响规律以及最优结构/材料参数；进行了流体力及电压作用下压电叠堆及其组件的建模仿真及有限元验证，获得了组件隔膜厚度及半径比对变形量/驱动力/生成电压的影响规律，给出了合理结构参数的确定方法；进行了电压激励下压电流体换能器动态响应及机电能量转换特性研究，获得了系统背压对液体/气体阻尼/隔振器中主(被)动压电振子的驱动/响应(俘能)特性的影响规律；进行了结构/基础振动时液体/气体隔振/阻尼器的系统建模仿真及试验，获得了系统要素对其俘能/抑振性能的影响规律，证明了压电液压控制器可同步实现俘能与抑振的双重功能；进行了基于同步开关俘能技术的能量提取/储能系统及半被动控制器研究，获得了其能量提取/存储、半被动隔振及阻尼抑振效果及其影响因素；增加了压电叠堆/晶片泵驱动的主动式控制器研究，获得了叠堆泵腔高/隔膜半径比、晶片泵腔体数量/系统背压、驱动频率/电压/负载等对其驱动力/速度或功率等的影响规律，所获得的驱动力/速度可满足直接隔振及阻尼阀控制需求。结合研究计划及拓展工作，培养了硕士研究生8人，尚有1名博士及3名硕士从事相关工作；公开发表相关论文32篇（9篇SCI/EI双检、28篇EI检索），申报发明专利15项（7项授权）、新型专利13项（均授权）。