文档介绍：压电智能结构用于桥梁的振动控制
高志,常银昌,徐永波
武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉(430070)
E-mail:gaozhi1980@
摘要:本文介绍了智能结构的概念及其发展状况,介绍了压电材料的基本特性,将压电智
能结构用于桥梁的振动控制,并给出算例分析结果。分析表明:应用本方法可以对桥梁的振
动进行有效的控制。
关键词:智能结构,压电智能结构,压电材料,振动控制
中图分类号:
1. 智能结构及压电类智能结构
智能结构
在 70 年代未 80 年代初,美国军方为提高其飞行器的性能,首先提出了“智能”结构(Smart
Structures 或 Intelligent Structures)的概念[1]。智能结构是指主体结构表面或内部安装智能传感
器和驱动器,在工作期间能按照外界环境的需要进行实时调整,实现既定功能的系统结构。
20 世纪 80 年代初期和中期,智能结构在控制领域的研究发展迅速,尤其在智能结构振动控
制方面取得了一定的成果
压电类智能结构
压电材料的力学特性
压电效应分为正压电效应和负压电效应[2]。对压电材料施加外力时,会引起压电材料内
部的正、负电荷发生移动,使材料表面形成与外力成比例的电荷,称为正压电效应;反之,
如果施加电压,压电材料会发生机械变形,称为负压电效应。利用压电材料的正、负压电效
应,压电材料既可以做传感器又可以做驱动器。
压电方程:压电材料的线性本构方程可以表示为:
T
TCSeE=−
{}61×××[ ]66××{} 61[ ] 63{} 31
T
DeS=+ε E
{}31×××[ ]36××{} 61[ ] 33{} 31
其中,{T}为应力矢量,{S}为应变矢量,{E}为电场强度矢量,{D}为电位移矢量,为
弹性刚度常数矩阵,[e]为压电应力常数矩阵,
全建立在实验基础上的
压电智能结构的组成及其在结构控制中的应用
压电智能结构主要是由传感器、驱动器、控制系统组成;智能结构振动控制的关键技术
是传感器、驱动器、控制器及其结构集成[3]。
将压电体集成于结构中,压电传感器元件感知结构的振动模态,并由其输出通过相应的
控制算法确定压电动作体的输入,实现结构的振动控制。智能结构控制系统主要由以下几
部分组成:基体结构、传感器、驱动器和控制系统。原理如图所示[4]:
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图 1 智能结构控制流程图和振动控制原理
2. 系统模型及控制方程
F v
EI m
x
传感器
作动器
L
y
图 2 压电智能结构主动控制模型
如图 2 所示简支梁,由均质各向同性材料做成,受到 F=FcosΩt 且以一恒定速度 v 移动的
简谐力作用。在桥梁的上下部固定两个压电传感器和压电做动器作为控制装置。
考虑桥面为等截面的伯努利-欧拉梁(Bernoulli-Euler Beam),其竖向振动微分方程为:
∂∂42yy
EI+=−+−+− m Fδδδ() x vt U () x x U () x x (1)