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压电桁架中作动器与传感器的优化布置研究

作　者: 张世君
导　师: 张京军
学　校: 河北工程大学
专　业: 结构工程
关键词: 智能桁架 堆型作动器 遗传算法 ANSYS APDL
分类号: V214
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


近年来,世界的航天事业尤其是我国的航天事业的发展蒸蒸日上,同时桁架结构在航天工程中应用也越来越广泛。但是桁架结构在太空中存在着潜在的危险,这是因为外空中的介质含量及其稀薄,如果桁架结构在外空中受到某种激励,很容易产生振动并且在短时间内达到稳定状态比较困难,这对航天结构系统本身和安装在系统上的仪器与设备是不利的。解决这个问题的最好方法是振动进行主动的控制,这就需要在航天桁架中布置传感器和作动器,利用传感器和作动器适时的对航天桁架的响应进行监测和控制。虽然较多的传感器和作动器能够获得比较全面的信息和产生较大的阻力,然而如果传感器与作动器的数目过多、位置布置不合理,则不仅会使控制的效果下降还会增加能耗,严重时还会破坏整个控制系统。因此,我们需要对桁架中传感器与作动器的数目和位置进行优化,以便可以以合理的作动器与传感器的数目和位置对航天桁架进行控制。这有很好的理论意义和实际的应用价值。本文以压电智能桁架为研究对象,利用压电片的正、逆压电效应,分析主动杆件与结构的机电耦合作用,并建立含有传感器与作动器的智能桁架有限元模型。针对遗传算法在收敛问题对遗传算法的算子进行改进,同时针对遗传算法求解多目标求解时因采用传统固定权数方法确定目标的权重系数存在的主观性缺点,本文采用随机权数方法进行改进。同时本文应用ANSYS的参数设计语言对空间桁架进行建模和求解,并给出部分的命令流。最后本文以作动效率为准则,运用改进后的遗传算法对桁架中传感器与作动器的数目和位置布置进行优化,经过对优化结果的分析可知,本文方法具有较好的优化效果。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-8
目录  8-10
第1章 绪论  10-23
  1.1 引言  10
  1.2 智能结构概念和组成  10-13
    1.2.1 智能结构概念  10-11
    1.2.2 智能结构的组成  11-13
  1.3 智能结构振动控制技术的发展与现状  13-17
    1.3.1 智能结构振动控制方法  13-14
    1.3.2 智能结构振动控制发展与现状  14-17
  1.4 作动器与传感器优化配制  17-21
    1.4.1 作动器与传感器数学模型  17-18
    1.4.2 作动器与传感器优化配置准则  18-20
    1.4.3 作动器与传感器优化配置的计算方法  20-21
  1.5 论文的研究内容  21-23
第2章 智能桁架有限元建模  23-36
  2.1 引言  23
  2.2 桁架结构数学模型的建立  23-31
    2.2.1 建模基础  23-24
    2.2.2 压电方程  24-27
    2.2.3 杆单元有限模型  27-29
    2.2.4 桁架结构动力学模型  29-31
  2.3 结构系统的动力响应分析  31-33
  2.4 智能桁架数学模型  33-35
    2.4.1 智能桁架模型的建立  33-34
    2.4.2 智能桁架结构模态分析  34
    2.4.3 模态控制算法  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章 遗传算法改进和应用  36-53
  3.1 遗传算法的基本思想和特点  36-38
    3.1.1 遗传算法的基本概念  36-37
    3.1.2 遗传算法的基本流程  37-38
  3.2 遗传算法的算法设计  38-48
    3.2.1 遗传算法设计的基本步骤  38-39
    3.2.2 编码方法  39-41
    3.2.3 基本遗传算子  41-47
    3.2.4 适应度函数  47-48
  3.3 遗传算法的改进和应用  48-52
    3.3.1 遗传算法的改进  48-49
    3.3.2 改进遗传算法的应用  49-52
  3.4 本章小结  52-53
第4章 智能桁架中作动器数目与位置优化  53-65
  4.1 桁架独立模态模型  53-54
  4.2 主动杆件机电耦合方程  54-56
    4.2.1 主动杆耦合方程  54-56
    4.2.2 压电陶瓷堆传感模型  56
  4.3 作动器的优化准则  56-57
  4.4 ANSYS简介  57-59
    4.4.1 ANSYS工作模式  57-58
    4.4.2 ANSYS的求解过程  58-59
    4.4.3 ANSYS在桁架结构分析的应用  59
  4.5 实例  59-64
  4.6 小结  64-65
第5章 结论与展望  65-67
  结论  65
  展望  65-67
致谢  67-68
参考文献  68-73
作者简介  73
攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况  73

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 基础理论及试验 > 航空器结构力学
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