基于光致伸缩作动器的柔性板壳结构非接触精密控制研究

论文摘要

极化后的铁电陶瓷材料镧改性锆钛酸铅(PLZT)在特定波长的高能光束照射下具有明显的光致伸缩效应,可作为新型的非接触激励光致伸缩作动器用于智能结构设计与控制。本文在分析PLZT铁电陶瓷的光机电耦合特性的基础上,深入研究了由LED紫外光源触发的典型光电层合柔性板壳结构的非接触激励技术,并提出一种满足多模态控制要求的新型多自由度作动器,全面研究其模态控制特性,为其在复杂智能结构中的应用提供理论依据和技术支持。基于PLZT光致伸缩作动器的物理特性,本文阐述了光致伸缩作动器工作所涉及的光、热、电、力等能场耦合的机理;通过对光致伸缩作动器本构关系的分析,完善了光致伸缩作动器的本构方程,推导出单片式光致伸缩作动器的控制力及力矩表达式,并揭示了各能场交互作用下的光致伸缩作动器的温升和位移响应特性。在系统理论建模和作动器控制效应数值仿真的基础上,本文搭建了基于LED紫外冷光源的光致伸缩结构系统实验平台,开展了针对作动器光致伸缩特性和光电层合悬臂梁结构静态偏移、动态衰减的实验研究,通过实验数据与理论值的对比分析,验证了光致伸缩效应及光电层合悬臂梁智能结构系统模型的正确性。为推动分布式光致伸缩作动器在二维薄壳结构控制中的应用,本文以等截面变曲率圆柱壳为研究对象,建立了光电层合圆柱壳结构系统控制方程,研究了作动器的布局优化和系统动力学问题,并对分布式光致伸缩作动器的模态激励效应进行评价。本文针对空间薄壳结构的模态控制特性,提出了一种新型的多自由度光致伸缩作动器,并对其构型及参数进行了详细设计。通过与同等条件下单片式光致伸缩作动器对圆柱薄壳结构的控制效果对比分析,证明了多自由度光致伸缩作动器对于曲率壳结构模态控制的优越性,也为其在空间复杂结构控制领域的应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与来源
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 智能结构的研究现状
• 1.3.2 PLZT 铁电陶瓷作动器的研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 光致伸缩作动器基本特性及理论建模
• 2.1 PLZT 材料特性研究
• 2.2 光致伸缩作动器数学模型
• 2.2.1 本构关系的物理学基础
• 2.2.2 光致伸缩作动器的本构方程
• 2.3 光致伸缩作动器特性分析
• 2.3.1 光热耦合场作用下作动器的温升特性
• 2.3.2 不同耦合场下作动器的位移响应特性
• 2.4 光致伸缩作动器构型
• 2.5 本章小结
• 第3章 光电层合悬臂梁理论及实验研究
• 3.1 光电层合梁的力学模型
• 3.2 光电层合悬臂梁模态分析
• 3.3 作动器布局优化
• 3.4 光致伸缩作动器光致形变效应测试
• 3.4.1 实验所用试件及仪器
• 3.4.2 实验结果与分析
• 3.5 光电层合悬臂梁静态实验
• 3.5.1 实验所用试件及仪器
• 3.5.2 实验结果与分析
• 3.6 光电层合悬臂梁动态实验
• 3.6.1 实验所用试件及仪器
• 3.6.2 实验结果与分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 光电层合圆柱壳特性研究
• 4.1 光电层合圆柱壳结构力学分析
• 4.2 光电层合圆柱壳的模态控制力
• 4.3 光电层合圆柱壳的布局优化
• 4.4 光电层合圆柱壳控制效应分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 新型多自由度光致伸缩作动器的研究
• 5.1 构型的建立
• 5.2 光电层合多自由度作动器的圆柱壳动力学分析
• 5.3 光电层合多自由度作动器的圆柱壳模态分析
• 5.4 多自由度光致伸缩作动器控制效应研究
• 5.4.1 两种类型作动器控制效果的对比
• 5.4.2 参数分析多自由度作动器控制效果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢