大范围运动电流变夹层梁的动力学特性与振动控制

论文摘要

电流变液（Electrorheological fluids,简称ER fluids）是一种流变特性可控的智能流体材料。在外加电场的作用下,材料的物理特性如粘度、弹性、塑性等能发生快速可逆的变化。含有电流变材料的智能结构与系统,能在外加电场的作用下快速可逆地改变结构本身的阻尼和刚度,且具有响应速度快、工作能耗低、调节范围大和控制方式简单等优点,在结构的振动控制中获得了人们的广泛关注。自20世纪80年代Gandhi等最早将电流变材料应用于夹层结构的振动控制研究以来,已有许多学者对电流变夹层结构的动力学特性和振动控制进行了深入的理论和实验研究。但在以往的研究中,一般都是针对静态梁或板进行的,将电流变材料应用于运动柔性梁的振动控制由于建模困难和实验环节较为复杂,有关的研究报道还较为少见。本文是在国家自然科学基金重大项目（50390063）的资助下,以IC后封装设备中的高速、高加速度运动操作机械臂的动力学与控制为研究背景,试图利用电流变夹层结构的可控阻尼特性,将电流变材料推广应用到运动柔性梁的振动控制。通过对旋转运动电流变夹层梁在不同结构和控制参数下的动力学行为和振动响应特性进行理论和实验研究,探讨电流变材料应用于运动柔性梁振动控制的可行性,为发展基于电流变材料的运动柔性梁自适应振动控制方法进行探索性研究,为高速、高加速度运动柔性机械臂的振动控制提供新的理论和方法。本文主要的研究工作和成果如下:1)基于高阶剪切变形理论和von-Karman应变场理论,采用Hamilton变分原理建立了大范围运动多层复合材料层合梁的非线性动力学模型。该模型在建模过程中不仅考虑了夹层结构运动梁的大范围刚体运动与弹性小变形之间的非线性惯性耦合关系及材料层合间的结构特性,而且假设梁的厚度和变形位移足够大。推导得到的动力学控制方程既能用于电流变夹层结构运动梁的动力学研究,也为其他同类问题的相关研究提供了一个较完整的动力学模型。2)将电流变材料等效为复模量受外加电场控制的粘弹性材料,在第二章大范围运动复合材料层合结构梁动力学建模理论的基础上,导出了电流变夹层结构运动梁的有限元控制方程。具体以做旋转运动的电流变夹层梁为分析对象,研究了外加电场强度、旋转速度和电流变材料芯层厚度等参数对梁的固有频率与模态损耗因子的影响。数值仿真结果显示,外加电场强度的增大能提高旋转运动电流变夹层梁的刚度和模态

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 运动柔性梁的动力学研究现状
• 1.2.1 动力学建模理论
• 1.2.2 参激振动稳定性与非线性动力学研究
• 1.3 运动柔性梁的振动控制研究
• 1.4 电流变液及其在结构振动控制中的应用研究
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 大范围运动复合材料层合结构梁的动力学建模理论
• 2.1 引言
• 2.2 模型描述
• 2.2.1 变形位移关系
• 2.2.2 运动学描述
• 2.3 梁的动力学建模
• 2.3.1 系统的动能
• 2.3.2 系统的势能
• 2.3.3 外力作的虚功
• 2.3.4 动力学方程
• 2.4 本章小结
• 第三章 电流变夹层结构运动梁的动力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 电流变材料的流变特性
• 3.3 电流变夹层结构运动梁的有限元模型
• 3.3.1 单元自由度及形函数
• 3.3.2 单元运动方程
• 3.3.3 梁的总体动力学方程
• 3.4 定轴转动电流变夹层梁的动力学仿真分析
• 3.4.1 动力学方程
• 3.4.2 仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 周期变速旋转运动电流变夹层梁的振动稳定性
• 4.1 引言
• 4.2 运动控制方程
• 4.3 多尺度法
• 4.4 稳定性分析
• 4.4.1 参激共振失稳边界
• 4.4.2 时域响应特性
• 4.5 本章小结
• 第五章 基础激励下旋转运动电流变夹层梁的动力学特性
• 5.1 引言
• 5.2 动力学方程描述
• 5.3 一次近似展开
• 5.4 参激振动响应特性
• 5.5 本章小结
• 第六章 电流变液用于旋转运动柔性梁振动控制的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 电流变液的制备与电流变夹层梁的结构
• 6.2.1 电流变液的制备
• 6.2.2 电流变夹层梁的结构
• 6.3 实验系统设计
• 6.4 实验结果与讨论
• 6.4.1 时域响应特性分析
• 6.4.2 频域分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 主要创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及奖励情况
• 致谢