船舶智能結構振動反饋控制研究*

陳建峰 余 音

上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院 上海 200030

船舶智能結構振動反饋控制研究*

陳建峰 余 音

上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院 上海 200030

針對船舶結構特點，以壓電（PZT）材料作為反饋傳感器和控制作動器，粘貼在船舶板梁結構表面，形成智能結構反饋控制閉環系統，使結構振動得到有效控制。從PZT材料的本構方程出發，建立了壓電智能結構的傳感器、作動器以及振動控制有限元方程，并用ANSYS軟件進行了數值仿真研究。數值算例驗證了智能結構在結構尺寸和厚度比較大的船舶板梁結構振動控制的可行性，可以給船舶結構振動控制提供一種新的途徑。

智能結構 作動器 振動控制 ANSYS 三明治復合材料

20世紀90年代以來，以疊層材料制造技術、微電子和功能材料耦合特性的利用為基礎而發展起來的智能結構越來越受到人們的重視［1］。近年在海洋結構工程中，針對處于時變性和不確定性環境中運行的海洋結構，也提出了機敏海洋結構的概念，并展開了有關的研究工作［2-3］，船海智能結構的研究將對船舶與海洋結構的健康監測和控制有重要意義。

針對船舶結構，研究壓電智能結構對較大尺寸和厚度的板梁結構的振動控制，利用ANSYS軟件中的APDL參數化設計語言構造反饋控制系統，對兩種典型的板梁結構進行振動控制研究。

1 智能結構的有限元控制方程

1．1 壓電材料本構方程

壓電方程描述了壓電材料力學和電學行為之間的相互作用。壓電晶體在彈性極限范圍內，由于應變和電位移均可由應力和電場兩方面產生，根據彈性結構關系式、介電關系式及壓電效應表示式，可以得到壓電材料本構方程［4］

式中：｛σ｝，｛S｝——應力和應變向量；

｛D｝——電位移向量；

｛E｝——電場強度向量；

［ε］——介電常數矩陣；

［K］——結構剛度矩陣；

［e］——壓電（應力）常數矩陣。

1．2 機電耦合的結構動力學方程

根據Halmilton原理可以推導出含壓電材料的智能結構動力學方程［4］

式中：［Muu］——結構質量矩陣；

［Cuu］——結構阻尼矩陣；

［Kuu］——結構剛度矩陣；

［Kuφ］——結構壓電剛度矩陣；

［Kφφ］——結構介電剛度矩陣；

｛u｝——位移；

｛φ｝——電勢；

｛Fu｝——結構外載荷；

｛Fφ｝——電極表面電荷產生的載荷矢量。

1．3 傳感器、作動器方程及控制方法

利用逆壓電效應將復合材料板殼型自適應結構中的壓電材料鋪層作為作動器，即在壓電鋪層中作用適當的電壓以獲得結構變形。作動器方程為［5］

壓電材料的直接壓電效應使作用在材料上的應變轉換為電荷。利用這一性質，含有壓電材料鋪層的復合材料層板中的壓電材料鋪層可以設計為傳感器。傳感器方程為［5］

式中：｛δ｝——傳感器處的結構位移。

采用比例反饋控制和恒值反饋控制兩種控制

方法。

比例反饋控制輸入電壓為

式中：｛φs｝——傳感器處反饋的電勢；

［

G］——反饋增益矩陣。

恒值反饋控制輸入為

式中：sign［］——符號函數，

1．4 基于APDL的反饋控制有限元仿真系統

在有限元軟件ANSYS中建立一個虛擬的試驗系統，并構造一個反饋控制系統，控制步驟如下。

1）計算第i個時間步長后的瞬態響應。

2）輸出傳感器上的電壓作為反饋信號。

3）由傳感信號經反饋控制器計算得到控制點處的位移Y，如果Y＜Y0（Y0表示控制目標），轉8），否則轉4）。

4）通過反饋控制器計算控制電壓Vi

式中：V0——傳感器反饋的電壓；

G——反饋矩陣。

5）把得到的控制電壓施加到作動器上。

6）計算第i+1個時間步長后的瞬態響應。

7）i＝i+1，重復步驟2）～6）。

8）結束控制。

ANSYS中的APDL參數化語言為實現有限元環境中的反饋控制仿真提供了一個便捷的途徑，通APDL語言中的循環結構就能實現上述過程。有限元環境中的反饋控制系統見框圖1。

圖1 反饋控制系統框圖

1．5 振動控制的實現

傳感器把結構的位移傳給反饋控制器，反饋控制器根據傳來的位移信息計算出控制電壓，然后施加給作動器，這樣作動器就產生一個反饋位移，使結構的振動減弱。重復這一過程，結構的振動就能得到有效的控制。

2 算例

以下算例均在ANSYS軟件中建立有限元模型進行仿真計算。振動控制通過ANSYS中的APDL結構參數化語言，建立的循環反饋控制系統實現。控制方法有兩種，算例2．1采用的是比例反饋控制，算例2．2采用的是恒值反饋控制。

2．1 三明治懸臂板

圖2所示是一個1 500 mm×500 mm×28 mm的三明治懸臂板。三明治板上、下表面分別貼有壓電作動器，圖中的中間白色部分為壓電材料PZT，尺寸為1 500 mm×100 mm×1 mm，三明治板上下兩層為復合材料，中間為夾心材料。復合材料面板的鋪層為（0°／45°／—45°／90°）s，鋪層示意圖見圖3，陰影的面為貼在復合材料表面的壓電鋪層。

圖2 三明治懸臂板幾何模型

圖3 復合材料面板鋪層示意圖

復合材料的工程常數為

夾心材料的材料性質為

壓電材料的材料性質為

壓電常數為

相對介電常數為1 800。

作動器由固端到自由端平均分成五個部分，相當于五個作動器，這五個作動器同時又是傳感器。反饋電壓乘上反饋矩陣就得到控制電壓。固端反饋的電壓最大，自由端反饋的電壓最小，因此控制電壓固端的電壓最大，自由端的電壓最小，這樣可以達到較好的控制效果。

板自由端某節點無阻尼自由振動見圖4 a），可以看出由于沒有考慮結構阻尼，振幅保持不變，維持在約12 mm，圖4 b）是經過比例反饋控制后的位移響應圖，經過比較可以看出經過作動器的循環反饋控制，振幅在2 s內已得到了有效的控制。

圖4 控制前后懸臂板自由端位移響應對比圖

2．2 兩端固支的鋼板

圖5為1 000 mm×500 mm×15 mm的鋼板，板的兩端是固支。

材料性質為

壓電材料為PZT，材料性質跟算例1中的一樣，壓電作動器有4個，尺寸為500 mm×200 mm ×1 mm，都貼在鋼板上下表面的靠近固端處，見圖5中黑色部分。恒值反饋控制加的電壓為500 V。

圖5 兩端固支的鋼板幾何模型

經過恒值反饋控制后的振幅隨時間變化情況見圖6，可以看出船舶上比較厚的鋼板也可以得到很有效的控制。

圖6 控制后鋼板中心點處的位移相應圖

3 結論

采用智能結構技術，把壓電材料粘貼在船舶板梁結構表面，通過在有限元軟件ANSYS中用APDL語言構造循環反饋控制系統給作動器施加電壓，并采用恒值反饋和比例反饋兩種控制方法，使結構振動得到有效控制，研究表明：

1）把壓電材料貼在船舶上的復合材料板以及鋼板上，也可以使比較大的結構在振動中得到比較有效的控制。

2）其他條件不變的情況下，在壓電材料擊穿電壓范圍內，適當增加電壓可以產生更好的控制效果

3）合理布置作動器的位置，可以用相對小的代價使結構得到有效的控制。

4）在工程應用中，比較容易控制的結構可以用比例反饋控制，這樣節省資源，而且控制效果比較好，如果有些結構比較難控制，比如，厚的鋼板則可以采用恒值反饋控制，電壓加大一點，這樣控制效果會相對比例反饋更加有效。

從而驗證了智能結構在結構尺寸和厚度比較大的船舶板梁結構振動控制的可行性，可以給船舶結構振動控制提供一種新的途徑。

［1］夏人偉．大型航天器結構與力學問題綜述［J］．宇航學報，2001，22（4）：1-6．

［2］Kazuro Kageyama，Isao Kimpara，Toshio Suzuki，etc．Smart marinestructurs：an approach to the monitoring of ship structures with fiber-optic sensors［J］．Smart Mater Struct，1998（7）：472-478．

［3］唐友剛，馬網扣，楊 鋼等．海洋結構智能監測與振動控制技術的最新進展［J］．海洋工程，2003，21（2）：103-106．

［4］余 音，金咸定，夏人偉．一種壓電復合材料層合板機電耦合有限單元［J］．上海交通大學學報，1998，32（11）：131-134．

［5］余 音，夏人偉．含壓電作動器和傳感器的復合材料層板靜變形有限元分析和形狀控制研究［J］．復合材料學報，1997，14（2）：114-119．

［6］Dawood T A．Predicting damage in polymer sandwich beams using wavelet transforms based on strain signals from FBGsensors［D］．School of Engineering Sciences．Ship Science．University of Southampton，2005．

［7］姚熊亮，顧玉鋼，楊志國．壓電類智能結構在船體振動控制方面的應用研究［J］．哈爾濱工程大學學報，2004，25（6）：695-699．

［8］Xu S X，Koko T S．Finite element analysis and design of actively controlled piezoelectric smart structures［J］．Finite elements in analysis and sedign，2004（40）：241-262．

［9］Narayanan S，Balamurugan V．Finite element modeling of piezolaminated smart structures for active vibration control with distributed sensors and actuators［J］．Journal of Sound and Vibration，2003，262：529-562．

［10］Thornburgh R P，Chattopadhyay A．Transient vibration of smart structures using a coupled piezoelectricmechanical theory［J］．Journal of Sound and Vibration，2004，274：53-72．

Feedback vibration control by smart marine structure

CHEN Jian-Feng YU Yin
School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering Shanghai Jiaotong University Shanghai 200030

Technology of smart structure was researched to control the structure vibration according to the character of ship structure．The constitutive equations of PZT material were given．And the finite element dynamical equations of smart structure，including smart actuator and sensor，were deduced．A feedback controlling system of smart structure wasimitated numerically in ANSYS．Two typical examples of vibration control by smart structure highlights the feasibility of using smart structure to control the vibration of big size structure on the ship，which shows a new approach to the vibration control of ship structure．

smart structure actuator vibration control ANSYSsandwich composite

661．44

A

1671-7953（2007）02-0028-04

2006-07-12

修回日期2006-10-22

陳建峰（1982—），男，碩士生。

*國家自然科學基金資助項目（編號：50479014）