电材料在机敏结构振动中的应用

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　　1机敏结构与压电材料


　　机敏结构(Smart Structures)是指在内部集成了传感器与作动器的结构，是集成型智能结构(Intelligent Structures)的雏形。机敏结构的传感器与作动器有多种类型，如形状记忆合金、光导纤维、电流变体、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、压电材料等。其中压电材料以其频响宽、重量轻、结构简单、价格便宜等特点而倍受青睐。目前在振动工程中应用较为广泛的压电材料主要有三种，即压电单晶体(如石英)、压电功能陶瓷(如PZT)及压电高分子聚合物(如压电薄膜PVDF)。其中压电功能陶瓷多用于机敏结构的离散控制，而压电高分子聚合物常用在机敏结构的分布控制当中。


　　压电材料实际上是一种能量转换材料。压电材料的机—电耦合特性由它的正、逆压电效应决定。正压电效应指的是作用在压电材料上的机械应力会转化为材料上的束缚电荷，而逆压电效应则是作用在压电材料上的电势能转化为机械应变的现象。利用这种机—电耦合特性，压电材料既可作为传感器，又可作为作动器。


　　压电元件集成机敏结构的方式有表面粘贴与内部嵌入两种。由于压电元件体积小、质量轻，故集成后不会对原结构的动力学特性产生明显影响。比较而言，表面粘贴方式易于实现，但工作当中可能因受损而报废。内部嵌入方式去除了表面粘结剂对结构的影响，能够在压电元件与结构之间建立良好的机电联系。其不足之处在于制造过程比较复杂，而且电绝缘相对困难。


　　2压电振动控制方法


　　压电材料用于机敏结构的振动控制，控制系统的设计通常有三种方法，即主动控制、被动控制及主被动混合控制。


　　压电被动控制是利用压电材料的正压电效应，通过在压电元件的电极之间并联适当的外部电路来耗散或吸收压电元件所感应到的那部分结构能量。按照消耗能量的方式，压电被动控制可分为压电粘弹性阻尼器与压电吸振器。前者的外部并联电路为电阻元件，而后者的外部电路为电阻与电感元件。受压电材料自身性能的限制，压电被动控制适于机敏结构的高频振动控制。对于低频振动，控制系统需要较大的电感元件，给实际工程应用带来了一定的困难。


　　主动控制是当前振动工程中的一个研究热点。这种方法以现代控制理论为主要工具，设计出的控制系统具有很强的环境适应能力。压电主动控制的基本方法是以压电材料作为受控结构的传感器与作动器，由传感器感受因振动产生的结构应变，将其转变为相应的电信号，并通过一定控制律产生控制信号，经放大后施加于作动器，由作动器将电能转化为机械能，从而实现机敏结构的振动控制。压电主动控制方法具有修正设计方便、适于低频振动控制等特点，目前已在许多领域得到了应用。当然，这种方法也存在不足，例如当压电传感器与作动器非同位配置时，就可能出现控制失稳的现象。


　　被动控制与主动控制相结合形成混合控制策略是当前振动工程的一个新兴方向。机敏约束层阻尼控制是压电主被动混合控制中的一个代表。这种方法基本思想是以可控的压电材料代替传统的约束阻尼控制中的不可控约束层，通过反馈控制主动调节压电约束层的轴向变形，既而影响被动阻尼层(常为粘弹性阻尼)的剪切变形，并同时给机敏结构施加控制力，以抑制机敏结构的振动响应。压电主被动混合控制方法中的被动阻尼部分可以降低机敏结构的高频振动响应，因而拓宽了主动控制方法的减振频带。同时被动阻尼部分还可以提高控制系统的反馈增益与相位裕度，降低了系统对结构参数摄动的敏感性，提高了系统的稳定性与鲁棒性。


　　3压电材料在机敏结构振动控制中的应用


　　利用压电材料实现振动控制的研究最早出现于本世纪50年代。80年代初期，随着人们对压电材料认识的深入，以压电材料作为传感器与作动器对柔性结构的振动响应进行有效控制的研究迅速发展起来。Forward以片状压电功能陶瓷PZT为传感器与作动器，对空间柱状天线的两阶耦合正交模态进行了控制。Bailey以单面粘贴PVDF层的柔性悬臂梁为研究对象，通过对自由端响应信号的处理，产生控制电压并作用于PVDF层。由于施加的控制信号与响应速度成比例且反相，故称之为压电主动阻尼控制。Crawley提出了粘贴及嵌入式压电元件的静力分析模型，并利用这些模型预报机敏结构的振动响应。Dimitriads将Crawley的研究成果推广到了2维压电耦合薄板。Wang则对嵌入式压电复合层板系统进行了减振控制，并进一步推导了复合层板单元的压电方程。


　　上述工作多是以静力分析方法为基础的，研究的对象多是具有典型边界条件、可获解析解的简单单元模型。对于比较复杂的压电耦合系统，有限元方法无疑是机敏结构模型分析的重要工具。Pan给出了表面粘贴压电作动器的简支梁的振动响应，表明作动器附近的应变场明显不同于静态应力分析的结果，并指出为了获得准确的振动响应，必须采用动力分析方法建立机敏结构的单元模型。之后，Ha采用变分原理对压电复合层板系统进行了研究，建立了可用于有限元计算的压电弹性体动力变分方程。Tzou提出了带有内部自由度的薄3维有限元模型，在一定程度上解决了压电元件厚度方向刚度偏大的问题。Guo以有限元方法及模态分析技术研究了具有一定径厚比的压电圆盘的振动控制问题。1992年，Tzou提出了智能壳(IntelligentShells)的概念，由嵌入式压电传感器感受物理、环境的变化，并由作动器通过一个反馈控制律对这些变化予以自适应调节。Crawley对压电耦合系统的构成及实现可行性开展了深入研究。结果表明，压电材料可以实现机敏结构的振动、姿态及噪声控制，在工程界具有广泛的应用前景。


　　为了验证理论分析结果的有效性，学术界开展了广泛的实验研究。Fanson采用位置反馈控制方法，在实验室条件下，对一个悬臂梁的前6阶模态进行了控制，希望通过这种方法降低大型空间结构的振动响应。Hanagud对压电耦合系统的动态耦合系数进行了实验辨识，使学术界对压电层与受控结构的能量传递效率有了初步的认识。Luis采用石墨／环氧树脂设计了一个嵌入压电材料的机敏结构模型。在应变、速度测量的基础上，利用最优调节器(OptimalRegulator)实现了结构模型的振动控制，并将实验结果与有限元模型分析结果进行了比较。Lazarus采用Rayleigh-Ritz方法对一个压电平板进行了动力学建模，并利用LQG方法设计了该MIMO系统的控制律，实验结果验证了作动器的控制能力。Hagood尝试利用同一个压电元件充当传感器与作动器，对机敏结构的振动进行控制。1991年，Hagood首次提出了压电被动控制阻尼的思想。文章对具有不同的外部并联电路的压电耦合系统进行了分析，并就一个悬臂梁模型进行了振动控制实验。1994年，Baz提出了机敏约束层阻尼控制的方法，并立即引起了学术界关注。为了改善控制效果，Fakhroo对机敏结构中的压电作动器的位置进行了优化。另外，路等对离散PZT控制的悬臂梁进行了极点配置，使机敏结构的振动响应得到了有效控制。


　　4研究中存在的问题


　　采用压电材料实现机敏结构的振动控制是一项极具吸引力的研究领域，对它的深入研究可能会导致材料工业的一场变革。目前美、日、法等许多发达国家都已投入了大量人、财、物力开展这方面的工作，并已在某些特定场合，诸如空间桁架结构、飞机的弹性外壳或蒙皮等的减振降噪中得到了成功的应用。近来更有一批学者致力于以压电材料作为传感器与作动器的柔性机构，如高速柔性连杆机构及柔性机械臂的振动控制研究。


　　笔者认为，就目前的研究状况而言，仍存在着一些亟待解决的关键问题。


　　4.1压电耦合壳元的深入研究


　　受模型精细化思想的影响，压电耦合系统的单元模型已由梁元、板元发展到了更为复杂的壳元。为满足实际复杂的机敏结构振动控制的需要，有关壳元的有限元研究应该继续开展。


　　4.2压电材料性能的改进


　　实验研究表明，机敏结构振动控制效果好坏主要取决于压电作动器的性能。受压电元件性能(如压电常数等)的限制，压电作动器所需的驱动电压信号有时竟高达几百伏，这无疑给实际工程应用带来了的困难。因此现有的压电材料的性能急需改进。另外，为了适应温度变化显著的环境，具有机—电—热耦合特性的压电材料的理论与应用研究也应该逐步开展。


　　4.3传感器与作动器形状、位置的研究


　　压电元件的形状、位置同样也是影响机敏机构减振效果的重要因素。已有的一些研究表明，在相同的外部激励下，在机敏结构的不同位置集成压电传感器与作动器，其控制效果有很大的差别。因此有必要对此进行更加深入的研究。


　　4.4机敏约束层阻尼控制的研究


　　由于采用机敏约束层阻尼控制技术不仅可以提高控制系统的鲁棒性，而且相当一部分结构能量可由被动阻尼层吸收，这将在一定程度上减轻压电约束层的负担，因此受到了许多控制学者的重视。目前关于这种压电混合控制技术的有限元建模研究刚刚起步，应尽快开展。


　　5结论


　　利用压电材料的机—电耦合特性可以设计压电传感器与作动器并应用于振动工程。本文对近年来压电材料在机敏结构振动控制中的应用情况进行了简要介绍，并指出了一些在今后研究中亟待解决的关键问题。





文章关键词： 传感器