基于压电材料的车身薄壁结构振动主动控制研究

论文摘要

随着经济的飞速发展，国家推出了鼓励发展汽车产业的相关政策，关于汽车技术相关领域的研究逐渐引起学者们的广泛关注。汽车车身的轻量化和振动噪声都是决定一个汽车结构好坏与否的重要指标，而这两项指标又往往是相互矛盾的，追求车身轻量化要求尽可能地降低车身的厚度或者减少车身附加质量，这就使得车身刚度降低，更易被外界激励而产生强烈的振动噪声，破坏乘坐舒适性。这时就要考虑寻找一种材料可以有效抑制车身振动又不会增加太大的附加质量，压电材料就是这样一种智能材料，它可利用其自身的正逆压电效应对大型空间结构进行振动控制，在结构中粘贴或者埋置小片的压电片，就可产生比较明显的控制效果，且对结构本身的固有特性影响较小。在总结归纳压电抑振领域的研究背景及其相关技术领域的研究动态之后，本文针对车身薄壁板状结构，利用压电陶瓷片粘贴在其表面从理论仿真和实验分析两方面着手进行振动的主动控制研究。理论仿真分析部分，利用Hamilton原理建立四节点板单元的层合板有限元方程，并采用有限元软件ANSYS建立了压电车身薄壁层合结构的有限元仿真模型，对其进行静态分析、模态分析、瞬态分析以及谐响应分析，总结得出结构相关静、动态特性。采用反馈比例控制法针对层合结构中各几何参数对于振动控制效果的影响关系进行分析，通过所得振幅数据进行比较，总结其影响规律。利用模态应变能方法对压电致动器的粘贴位置进行了优化研究，得到控制效果较好的分散布置方案。在控制方案上，除了采用单点反馈比例控制方法外，还研究PD控制以及基于LQR（线性二次型最优控制）的独立模态空间控制，并比较其抑振效果。本文的后一部分进行了车身薄壁板件压电振动主动控制的实验研究，采用NI公司的PCI-6229数据采集卡，配合LABVIEW虚拟实验平台进行了控制主程序的设计，搭建实验台，分别采用反馈比例控制和比例微分控制进行了实验分析。最后，对该项研究做了详细的总结，并针对车身结构压电抑振技术的深入研究进行了展望。仿真和实验研究表明：压电陶瓷片作为致动器对车身薄壁板件的振动达到了抑制的目的，取得了较好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电层合结构振动主动控制研究相关领域的研究动态
• 1.2.1 压电材料及压电结构有限元建模
• 1.2.2 压电致动器几何参数以及粘贴位置优化研究现状
• 1.2.3 压电抑振控制算法的研究现状
• 1.2.4 压电层合结构实验研究进展
• 1.3 压电材料在车身结构振动控制中的应用
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 车身薄壁压电层合板建模及仿真分析
• 2.1 车身薄壁压电层合板结构的有限元动力模型的建立
• 2.1.1 压电基本方程
• 2.1.2 车身薄壁压电层合板本构方程
• 2.1.3 车身薄壁压电层合板结构有限元动力方程
• 2.2 车身薄壁压电层合板结构的有限元仿真分析
• 2.2.1 车身薄壁压电层合板有限元建模
• 2.2.2 车身薄壁压电层合板静态分析
• 2.2.3 车身薄壁压电层合板模态分析
• 2.2.4 车身薄壁压电层合板谐响应分析
• 2.2.5 车身薄壁压电层合板主动振动控制有限元仿真
• 2.3 本章小结
• 第3章 压电层合结构几何参数影响分析及压电片分散配置
• 3.1 车身薄壁压电层合板几何参数影响分析
• 3.1.1 车身薄壁板厚度参数影响分析
• 3.1.2 压电片的厚度参数影响分析
• 3.1.3 压电片的面积参数影响分析
• 3.2 基于模态应变能的致动压电片分散配置
• 3.2.1 基于模态应变能的压电层合板建模分析
• 3.2.2 层合结构压电致动器分散配置抑振研究
• 3.3 本章小结
• 第4章 车身薄壁结构振动主动控制方法及其仿真分析
• 4.1 车身薄壁结构的 PD 控制
• 4.2 车身薄壁结构基于 LQR 的独立模态空间控制
• 4.2.1 独立模态空间控制
• 4.2.2 最优二次型控制
• 4.2.3 车身薄壁结构基于 LQR 的独立模态空间控制
• 4.3 车身薄壁结构控制方法比较分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 车身薄壁结构主动控制实验研究
• 5.1 车身薄壁结构振动主动控制实验流程设计
• 5.2 车身薄壁结构振动主动控制实验内容及结果分析
• 5.2.1 反馈比例控制实验及结果分析
• 5.2.2 比例微分控制实验及结果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 后记和致谢