（电机与电器专业论文）基于larcmfc致动器的振动主动控制研究.pdf

基子l a r c - m f c 致动器的振动主动控锱 r e s e a r c ho na c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o lb a s e do nl 撩c 匝ca c t u a t o r a b s t r a c t t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do f t h i sp a p e ri sa c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o lo fa i r c r a f tw i n gs t r u c t u r e 。 d u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h ea i r c r a f tw i n gs t r u c t u r e ，i t sq u i t ed i f f i c u l tt oe s t a b l i s hm o d e la n d m a k ea n a l y t i c a lr e s e a r c h w i t ha p p r o p r i a t es i m p l i f i c a t i o n ，t h i sp a p e rf i r s t l ym a k e sr e s e a r c ho f a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o lo fc a n t i l e v e rb e a mt or e d u c et h er e s e a r c hd i f f i c u l t y 。 r e s e a r c ho na c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o lo fp i e z o e l e c t r i cs m a r ts t r u c t u r e si sar e s e a r c hf o c u s o na c t i v ev i b r a t i o nc o n t r 0 1 i no r d e rt oo v e r c o m et h em a n u f a c t u r i n gd i f f i c u k i e s ，b r i t t l e m e n t ， l o we f f i c i e n c ya n do t h e rd i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e san e wt y p eo fp i e z o e l e c t r i cs m a r ta c t u a t o r ，m a c r of i b e rc o m p o s i t e ( m f c ) ，a n d s t u d i e st h ea c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o lo fl a r c m f ca c t u a t o r w i t hf l e x i b l ec a n t i l e v e rb e a ma s c o n t r o l l e do b j e c t 。 a san e w t y p eo fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s ，i t sv e r yn e c e s s a r yt oc a r r yo u tr e l i a b i l i t ys t u d y f o rt h el a r c m f ca c t u a t o r t h er e s u l t ss h o wt h a to n l yas l i g h td e g r a d a t i o ni na m p l i t u d ew a s s e e no v e r10m i l l i o ne l e c t r i c a lc y c l e s ，w h i c hp r e s e n t sp r e l i m i n a r yp r o o fo fh i g he n d u r a n c eo f l a r c m f ca c t u a t o r i nt h er e s e a r c ho fa c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o lb a s e d0 1 1l a 装c ，m f ca c t u a t o r f i r s t l y 。t h e m o d a la n a l y s i so fc a n t i l e v e rb e a mi sc a r d e do u tt oa n a l y z ed i f f e r e n to r d e rm o d a lv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fc a n t i l e v e rb e a mi nas p e c i f i cf r e q u e n c yr a n g eb ym e a n so ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sw i 氇a n s y s 。t h e nas u i t a b l ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mf o r t h eh y s t e r e t i cc h a r a c t e r i s t i c o fl a r c m f ca c t u a t o rw a sf o u n dt or e d u c et h i se f f e c to ft h eh y s t e r e t i cc h a r a c t e r i s t i co f l 承c - m f ca c t u a t o ro nt h ec o n t r o le f f e c tw i t ht h ec o u p l i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea c t u a t o r a n dt h ec a n t i l e v e rb e a mb ye x p e r i m e n t a tl a s t ，p o s i t i v ep o s i t i o nf e e d b a c k ( p p f ) c o n t r o l l e r w a sd e s i g n e db ys t u d yo nt h ep r i n c i p l eo fp o s i t i v ep o s i t i o nf e e d b a c km e t h o d b a s e do nt h ea b o v em e n t i o n e dr e s e a r c h , a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd e s i g n e da n dc o n t r o l p r o c e d u r ei sc o m p o s e df o ra c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o lo fl a r c m f ca c t u a t o r t h ee x p e r i m e n t s h a v em a d es u c c e s s f u lt or e d u c ed i f f e r e n to r d e rm o d a lv i b r a t i o no fc a n t i l e v e rb e a ma n d a c h i e v eg o o de f f i c i e n ti nv i b r a t i o ns u p p r e s s i o n 。 k e yw o r d s ：a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o l ；l a r c m f ca c t u a t o r ；p p f 一至王一 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理王大学硕士学德论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部f 1 或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩审、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硬士学位论文 l 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 在翼翅结构的设计中，结构的轻量化一直是设计的主要因标之一。为了减轻结构的 质量，提离运载工具的效率，大型化、低翅度与柔懂化已成为各类翼翅结掏的一个重要 发展趋势l l 】【2 】。轻质柔性材料常常具有较小的阻尼，一旦受到外界激励的影响，势必产 生大幅度的振动并且振动会持续较长的时间，使翼翅结构的颤振特性和动态特性变差。 这会导致设备总体性能和总体水平下降，以至于产生菲常严重甚至是灾难性的后果。所 以对翼翅结构的振动控制研究具有非常重要的理论意义和工程实用价值。 压电智能结构振动主动控制是弱前振动控制领域研究的一个热点。但传统的压电致 动器能量密度不高，多为脆性材料，不易用于翼翅等复杂曲面结构。本文结合压电智能 材料发展的最新趋势，使用一种出美雷n a s a 兰利研究中心( l a n g l e yr e s e a r c hc e n t e r ， 简称l a r c ) 研发的新型压电智能材料条状压电复合纤维( m a c r of i b e rc o m p o s i t e m f c ) 作为致动器，对翼翅结构振动进行主动抑制。l a r c 。m f c 早期是由美国n a s a 兰利研究中心研发的智能型复合材料，后来经由s m a r t - m a t e r i a l 公司进一步开发后，已 经可以在市场上购得。l a r c m f c 致动器可以非常方便的粘贴于曲面结构，且具有卓越 的致动健能。 由予翼翅结构十分复杂，模型建立及分析研究相对困难。作为其合理简化，先对悬 臂梁结构振动的主动控制问题进行研究，以减小研究难度，为翼翅振动主动控制硗究抒 下基础。 本课题使用新型压电智能材料( l a r c 制f c ) 作为致动器，以柔性悬臂梁为控制对 象，研究了基于l a r c - m f c 致动器的振动主动控制阀题，为进行复杂结构主动控制的实 验研究打下基础。并对l a r c m f c 致动器的性质及其可靠性进行了研究，对其在其他领 域的应用有一定的参考价值。 1 2 压电智能结构的发展概况 智能结构从航天航空领域发起，是由多学科交叉融合后形成的一种新型结构【孤。它 可以根据外部环境条件和内部条件主动改变结构特性以适应不同的需求，所以又称为自 适应结构。智能结构具有自检测、自控制、融修复及自适应等多种功能。传感元件、驱 动元件和控制器是智能结构不可缺少的三个组成部分。传感_ 元件必须对形变、运动、受 载和温度等结构状态或环境敏感，并易于集成。理想的传感元件能够将结构的状态变化 基于l a r c m f c 致动器熬振动主动控制 直接以电信号输出。驱动元件能够直接将控制器输出的电信号转变为结构的应变或位 移，具有改变结构的刚度、位置、形态、摩擦、阻尼和固有频率等其他机械性能的能力。 压电智能结构是目前被广泛应用的一种智能结构形式，它采用压电材料作为传感器 和致动器。压电材料受到挤压或拉伸时会在两极感应出电荷，这被称为正压电效应。压 电传感器利用了压电材料的正压电效应把机械量转换成电量，是一种应变传感器。压电 传惑器具有嚣处理电路及其调试简单，受温度影响小的优点，在智麓结构中得到广泛应 用。如果在压电材料的两端施加电场，材料内电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗变化， 会沿电场方向伸长，这种效应被称为逆压电效应。压电致动器就是利用压电材料的逆压 电效应，通过施加控制电压利用压电致动器本身变形来对结构产生驱动作用。 压电材料有以下几个方面的优点： 1 ) 功率小，寿命长。 2 ) 频带宽，响应快； 3 ) 力电耦合性能好； 4 ) 其输入输出均为电信号，后处理电路简单； 5 稳定性好，不易受温度影响； 6 ) 可同时实现振动被动和主动控制。 圈前已知的压电材料超过千种。在实际应用中，一般将其分为压电晶体、压电陶瓷 压电聚合物和压电复合纤维等凡类陵5 1 。 ( 1 ) 压电晶体 压电晶体的化学成分为s i 0 2 ，水晶( 程石英 是其中的一种。压电晶体不矮人工极 化，本身就有较强的力电转化功能。如果按一定方向在水晶晶体上切下薄片并对其施加 压力，那么薄片上将会产生电荷；如果按相反方向拉伸这一薄片，在薄片上也会产生电 荷，电荷符号相反。挤压或拉伸的力愈大，晶体上的产生的电荷也会愈多。如果在薄片 的两端施加电场，薄片内电偶极矩会被拉长，压电薄片为抵抗变化，会沿电场方向伸长。 ( 2 ) 压电陶瓷 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材 料。普通的陶瓷是各向同性的多晶烧结体，并不具有压电性。陶瓷具有压电性要有两个 条件，一是晶粒要具有铁电性；二是要经过强直流电场处理。也就是说压电陶瓷是经过 人工极化的铁电陶瓷。 压电陶瓷具有工艺简单、成本低、易获取大的尺寸和加工成各种形状等优点。另外， 通过掺杂和取代可在大的范围内调节材料的性能，使之满足不应用的需要。压电陶瓷是 大连理工大学硕士学位论文 当前应用最广泛的压电材料，目前最常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、三 元系压电陶瓷、透明铁电陶瓷以及铌酸盐系陶瓷等。压电陶瓷主要用于制造超声、水声、 电声换能器，陶瓷滤波器，陶瓷变压器以及点火、引爆装置。此外还可用压电陶瓷制 作表面波器件、电光器件和热释电探测器等。 ( 3 ) 压电聚合物( p v d f ) 压电聚合物( p v d f ) 是上世纪7 0 年代在日本问世的一种新型高分子压电材料，分 子量高达几千到几百万，为无定型物，属于人工合成的电场取向型的高聚合物压电材料。 p v d f 压电换能嚣有频带宽和高灵敏度等优点。另外还具有很强的耐磨性和抗冲击性能 而且在极端严酷与恶劣的环境中有很高的抗褪色性与抗紫外线性能。p v d f 压电薄膜在 结构损伤检测领域有广阔的发展空间。 ( 4 ) 压电复合纤维 压电复合材料是一种新型的压电换能器材料由两相或多相材料复合而成的压电材 料。常见的压电复合材料是由压电陶瓷相( 如p z t ) 和聚合物相( 如聚偏氟乙烯或环氧 树脂) 复合而成。作为一种新型的压电换能器材料，压电复合材料兼具了压电陶瓷和聚 合物的优点。与传统的压电陶瓷或压电晶体相比，具有良好的柔顺性和机械加工性能。 与聚合物压电材料相比，具有较高的压电常数和机电耦合系数，故灵敏度高。另外，压 电复合材料的性能不但与各相材料性能有关，还与它们的组合方式和内部的结构有关。 本文结合压电智能复合材料发展的最新趋势，使用一种由美国n a s a 兰利研究中心 ( l a n g l e yr e s e a r c hc e n t e r ，简称l a r c ) 研发的新型压电智能材料条状压电复合纤 维( m a c r of i b e r c o m p o s i t e - m f c ) 作为致动器对翼翅结构振动进行主动控制。具体型号 选用m 一8 5 0 7 - p 1 型号( 简称为p 型) 。图1 1 为p 型l a r cm f c 致动器示意图。 t 。j 图iip 型l a r c m f c 致动器 f i g1 l p - t y p el a r cm f ca c i u a t o r l a r cm f c 致动器具有质轻、高效率、制造容易等优点i ，更重要的是可应用于曲 面结构，而且其依照压电纤维的排列方式，具方向性的致动性质，因此近年对于其的基 本性质和应用研究日益增多。a z z o u ze ta l i ( 2 0 0 1 ) 舰j l a r c - m f c 致动器的有限元 基于l a r c - m f c 致魏器舱振馥圭动控制 模型并盈比较了l a r c - m f c 致动器和传统的p 甜驱动器的性能；w i l l i a m s l 8 1 ( 2 0 0 4 ) 髟 究了7 l a r c - m f c 致动器的非线性拉伸剪切性能；r u g g e i oe ta 1 睽( 2 0 0 3 ) 使用m c f 为传感器和致动器，用来测量卫星结构的动态性能；j h ae 专a 1 h o j ( 2 0 0 4 ) 研究基于用m f 的网状结构的滑动模态控制。在禽内，南京航空航天大学智能材料与结构研究也对m f 进行了性能和应用方西的研究。 1 3 振动控制方法的研究现状 从醒蘸的研究现状来看，用压咆材料对结构振动进行控制时，按是否需要外界能溺 主要有被动控制、主动控制和主被动混合控制三种方法。 ( 1 ) 被动控制 被动控制不需要外部提供能量，它通过修改受控对象熊动力学参数和增加系统隧j 来达到抑制振动的目的。振动的压电被动控制是利用压电材料的正压电效应把振动能 转化炎咆能，通过在压电元件的电极之阍并联适当麓癸部电路将其耗散或吸收。振动f 压电被动控制具有结构简单、易实现、可靠、成本低及对离阶振动抑制效果好的特点 但其控制效能低和控制灵活性差。 ( 2 ) 主动控制 主动控制又称有源控制，具有明晰的反馈回路，是一种以动制动的振动控制方式。 一般有传感元件、致动元件和控制系统三部分构成。在振动主动控制过程中，控制系 根据传感元件检测的振动信号，应用一定的控制算法，通过致动器对控制对象施加一； 的影响，以达到撺割或消除振动的基的。 从5 0 年代学者就开始对振动主动控制进行研究，但受当时技术水平的限制，研字 处于探索阶段。随着微趣子技术和控制理论的发展，振动主动控制技术的研究和应用 取得了极大的进展。到了9 0 年代，智能材料与智熊结构的出现使人们对振动主动控囊 有了新的认识，极大地促进了振动主动控制技术的发展。智能材料是能感知环境变化 并针对这种变化实时地改变自身的一种或多种性能参数，徽如所期望酶、能与变化詹j 境相适应变化的复合材料或材料的复合。智能材料具有自修复、自诊断、自适应以及l 动动态平衡酶功能，通过不断的盘动调整，骇一种最优的方式对环境的变化徽爨反应 目前常见的智能材料主要有形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料、电致l 串缩材料 电流变液及磁流变液等。这些功能材料各有优缺点，丽压电誊孝料以其独特的优点在蟹i 结构中得到了广泛的应用。 一4 一 大连理上火学硕士学链论文 压电智能结构振动主动控制是西前振动主动控制领域研究的一个热点。压电智能结 构振动主动控制是根据受控对象的动态特性，采用压电材料作为受控结构的传感器与致 动器，由传感器感受结构的应变，将其转换为相应虼电信号，然后由控制系统产生控制 信号，控制信号经放大后施加于致动器，致动器将电能转化为机械能对结构的振动进行 抑制。 振动主动控制具有很好的控制效采，且适应性强，但需要熊源，尤其是由于受多种 因素的影响，可靠性难以保证。 ( 3 ) 主被动混合控制 主被动混合控制是一种将主动控制和被动控制相结合的控制方法，它集合了主动控 制和被动控制的两种控制方法的优点，并避免各自缺点。主被动混合振动控制的振动控 制效果要优于单纯的主动控制和单纯的被动控制。目前，对主动控制和被动控制的研究 已经相当深入，它们的许多理论和方法可以应用到主被动混合控制的研究中。然而主动 控制和被动控制理论经过长期的发展已形戒了沈较宠整显相对独立的体系，在使用主被 动混合控制进行振动控制时，如何将主动控制和被动控制有机的结合起来，进行统一的 分析和设计，是目前主被动混合控制研究面临的一个难题。压电材料具有正愿电效应和 逆压电效应，是实现主被动混合振动控制的理想材料u 列。它可以把主动控制和被动振动 有机的结合起来。 为了减轻结构的质量，翼翅结构多采用轻质柔性材料，其模态频率低且密集【1 3 】l m j 。 传统的被动控制很难满足控制要求，而主动控制技术弥补了被动控制的不足，近年成为 翼翅结构振动控制领域研究的热点瓣熨。基于此本文主要是对新型压电智麓材料( l a r c - m f c ) 的振动主动控制效果进行研究。 目前，压电智能结构振动主动控制控制器的设计方法主要有直接法、前馈控制法、 最优控制、正位反馈控制、局部全局控制、和神经网络控制等。对上述的多种控制器 设计方法，国内外已经进行了大量的研究。其中正位反馈( p o s i t i v ep o s i t i o nf e e d b a c k ， 简称p p f ) 控制算法是一种应用较为广泛的控制算法。 正位反馈( p o s i t i v ep o s i t i o nf e e d b a c k ，简称p p f ) 控制技术是i 圭l c u a h g e y 和g o h 于1 9 8 2 年提出，并子1 9 8 5 年两人撰文详细讨论了速度反馈控制和正位反馈控制之闻的差别，园 时也指出正位反馈控制的稳定性和受控对象本身的阻尼毫无关系，证明正位反馈控制算 法具有很好的鲁棒性且其稳定性是冀 动态的f 1 6 1 。由子正位反馈控制算法简单丽且具有很 好的鲁棒性，所以在结构振动主动控制领域得到了较广泛的应用。仅仅在美囡弗吉尼皿 工业学院及州立大学的智能材料系统结构研究中心( c m i s s ) 就有很多学者在从事正位 反馈控制算法的研究。f n a s n o 和c a u g h y e ( 1 9 9 0 ) 进一步扩展了正位反馈控制算法的应 基予l a r c - m f c 致动器的振动主魂羧裁 用【1 7 】，他能的研究显示采用正位反馈控制算法完全可以控翩往悬臂梁豁翦6 阶弯趋模忝 振动；l e e 和c h i a n g ( 1 9 9 1 ) 指如，采嗣芷位反馈控制算法进行振动控制效果的优劣是 取决乎设计控制器时对结构模态参数的了解程度【埔1 ；1 9 9 3 年f a g a n 首次开始研究数字熬 的正位反馈控制器h 戮。 1 。4 本文的主要研究内容 由于翼翅结构十分复杂，模型建立及分析研究相对困难。作为其合理简化，先慰惹 臂梁结构振动的主动控制问题进行研究，以减小研究难度，沟翼翅结构振动主动控裁磅 究打下基础。本文使用新型压电智能材料( l a r c 制f c ) 作为致动器，以柔性悬臂粱舞 控制对象，研究了基于l a r c - m f c 致动器的振动主动控制问题。同时，对l a r c - m f ( 致动器的性质及其可靠性进行了研究。本文的主要工作有： ( i ) 在大量阅读国内资料文献的基础上，对压电智能结构和压电智能结构的振动 控制方法基勰知识及其研究现状进行了余绍。 ( 2 ) 对新型压电智能材料( l 出c _ m f c ) 致动器的性能及其可靠性进行研究，燕 本文后续工作奠定基础，对l a r c - m f c 致动器在其他领域的应用也有一定的参考价值 ( 3 ) 对悬臂粱进行模态分析，研究其在某一容易受影响的频率范围内各阶模楚 的特性。基于此，设计正位反馈控制器( p p f ) 对悬臂梁的振动进行主动抑制。 ( 碡) 通过实验测得l a r c m f c 致动器的输入与悬臂梁形变量( 位移之间的藕食 关系；找到适用于l a r c 。m f c 致动器非线性迟滞特性的插值算法，以减d 、l a r c m f c ：獭 动器溷有的非线性迟滞特性对控制效果的影响。 ( 5 ) 根据上述分析设计实验系统，编写控制程序，对基于l a r c 制f c 致动器的插 动主动控捌进行实验研究，验证上述理论分析。 全文共分五章。第一章，绪论；第二章，对l a r c m f c 致动器的性能及其可靠性 研究；第三章，设计基于l a r c m f c 致动器振动主动控制的控制系统；第四章，构建 实验系统，对基于l a r c ，m f c 的振动主动控期进行实验研究，验证上述理论分析；第 五章，对全文总结与展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 l a r c m f c 致动器的性能及其可靠性研究 2 1引言 常见的压电复合材料是由压电陶瓷相( 如p z t ) 和聚合物相( 如聚偏氟乙烯或环氧 树脂) 复合而成。作为一种新型的箍电换能器材料，压电复合材料兼具了压电陶瓷和聚 合物的优点。压电复合材料的性能不仅与各相材料性能有关，还与相间的联结方式有关。 联结方式决定了压电复合材料的中电场、磁场和应力的分布愤况。由两相构成的压电复 合材料有1 0 种联结型【2 0 j ，它们分别是0 - 0 、0 1 、0 2 、o 3 、1 1 、1 2 、1 3 、2 2 、2 3 、 3 3 型。其中0 代表颗粒状、l 代表纤维状、2 代表片状、3 代表立方编织物。习惯上把 对功能起主要作用的压电相放在前面。例如，1 3 型是指由维的压电陶瓷柱或纤维平 行地排列于三维连通的聚合物中；而3 1 型则表示将聚合物填充于钻有若干平行排列通 孔的压电陶瓷孛。 本文选用的m 8 5 0 7 p i 型号( 简称为p 型) 的l a r c m f c 致动器属于1 3 型压电 复合材料。作为一种新型的压电复合纤维致动器，l a r c m f c 致动器具有各方瑟的的突 出优点，在飞行器的结构形状主动控制、噪声抑制、故障诊断和检测等方面具有很好的 应用前景。对其性能与可靠性的研究有一定的实用意义。 2 2 l a r c - m f c 致动器 l a r c - m f c 早期是由美国n a s a 兰利研究中心研发的智能型复合材料，后来经由 s m a r t m a t e r i a l 公司进一步开发后，已经可以在市场上购得。l a r c - m f c 压电元件具有 质轻、商效、制造容易等优点，更重要的是可应用于煞面结构，而且依照压电纤维的排 列方式，具有方向性的致动性质，因此近年对于l a r c - m f c 压电元件具的基本性质和 应用研究曰益增多。 这种具有“肌凑和神经 功能的微纤维复合物( m f c ) ，获得了2 0 0 7 年度的美国 政府发明大奖。到目前为止，在航空航天领域l a r c - m f c 已经被应用于改善直升机桨 叶的性能和监测航天飞梳发射台和漫带牵弓| 装置的振动。逶过控制振动的产生，有利予 减少机械疲劳从而延长产晶的使用寿命，所以这种材料在各种机械结构的设备装置领域 被广泛的尝试使用。如风力发电机的桨叶、工业用噪声消除器、滑雪板等设备的震动缓 冲和“奥迪t t 的主传动轴用的主动振动去除( a c t i v ev i b r a t i o nd u m p i n g ) 装置等也采 用了这种材料。 基于i m r c - m c 致动器的振动主动控制 221l a r 渊f c 致动器的构成 传统的单片压电陶瓷致动器具有易碎性、不一致性( 特别是应用于非平面结构时) 、 致动方向不确定性及应变能量密度低等缺点在结构控制应用中遇到了一些实际困难。 为了增加压电陶瓷致动器一致性，第一代压电纤维复合材料致动器采用压电纤维被两层 环氧树脂聚合物保护层包裹的结构：并采用能产生与致动器水平的电场的交叉指形电极 ( i n t e r d i g i t a t e de l e c t r o d e ，简称1 d e ) 以提高应变能量密度。与单片压电陶瓷致动器的平 面结构电极相比致动应变提高了2 倍，应变能量密度提高了4 倍。图21 为单片压电陶瓷致 动器和第一代压电纤维复合材料致动器的结构示意图。 - - 环氧树脂毽鼗 图2 l 压电元什结构示意例 f i g2 is e c t i o n i l l u s t r a t i o no f t h es t r u c t u r eo f p i e z o e l e c t r i ce l e m e n t 第一代交叉指形电极压电纤维复合材料( i d e p f c ) 最大的特点是把交叉指形电撮 ( i d e ) 技术和压电陶瓷纤维技术相融合口”。交叉指形电极( i d e ) 技术的应用提高了 致动器的应变性能；压电相引入纤维提高了复合材料的韧性，改善其断裂行为。这使第 一代交叉指形电极压电纤维复合材料( i d e p f c ) 不仅具有p f c 的优点，而且具有新的 优点：1 ) 交叉指形电极的使用，提高了陶瓷相的利用率，使应变性能的提高成为可能； 2 ) p f c 已经具有很高的机械各向异性交叉电极的使用进一步增加了各向异性；3 ) 电场方向、极化方向平行与纤维方向，充分利用了纵向压电常数函3 高的优点，构造出 各向异性压电特性( a 3 3 d 3 1 d 3 2 ) 。作为传感器能有效区分应力、应变等物理量在不同 方向上的分量：作为驱动器能够在特定方向上施加力或变形。 尽管第一代压电纤维复合材料与单片压电陶瓷材料相比具有上述的优点，但其技术 上并不完善，存在以下两个方面的缺陷。一是这种压电纤维难于制造，成本高。第一 弋 压电纤维复合材料主要采用高成本的，被挤压成型的，圆柱形截面的压电陶瓷纤维；也 人连理工人学硕士学位论文 尝试将块状压电陶瓷材料切成长条状纤维，但其锋利的转角和边缘在致动器的装配过程 中可能损坏或切断交叉指形电极。上面所说的圆柱形和长条状纤维在致动器装配过程中 需要单独处理，所花费的时间使整体的制造成本提高。二是需要高的驱动电压。第一代 压电纤维复合材料的交叉指形电极与压电材料之间的低介电常数的环氧聚合物致使驱 动电场衰减，这需要增大致动器的驱动电压以抵消电场的衰减。 美国n a s a 兰利研究中心研发的压电复合材料m f c ( m a c r o f i b e rc o m p o s i t e ) 克服 了第一代压电复合材料的制造上的困难，并弥补了其一些性9 上的缺陷阻l 。m f c 币仅保 有了第一代压电陶瓷复合材料致动器的高应变能量密度和方向性的致动性能的优点，还 具有一些新的特点。其中最主要的是由于其制造过程一致并且可重复，降低了制造成本。 下面将对l a r c m f c 致动器的加工过程做概括性的介绍。 l a r c - m f c 致动器主要有三部分组成：1 ) 长条状压电陶瓷纤维排列而成的薄片；2 ) 被腐蚀成一定形状电极的聚合物底片：3 ) 矩形结构环氧树脂粘合剂。图22 是l a r c m f c 致动器的结构示意图。 交义指形，u 板 ( 上下曲面) ：垂 图2 2l a r cm f c 致动器结构示意图 f i 9 22s c h e m a t i cd r a w i n go f l a r c - m f ca c t u a t o r n 树脂 必状艄u 目 ， 瓷纤维 l a r c - m f c 致动器的压电纤维薄片是由计算机控制从低成本的压电陶瓷薄片切割 而成。这种薄片易处理，并且能让压电陶瓷纤维完全被包裹在致动器内部。批量生产和 处理压电陶瓷纤维降低了l a r c - m f c 致动器生产成本。l a r c m f c 致动器的交叉指形 电极是使用标准的光致蚀刻工艺对现有的商j | j 铜复合聚酰亚胺层压板底板腐蚀而成，该 底板既是交叉指形电极的载体也是电极问的绝缘体。然后把粘合剂粘附到压电纤维薄板 上放在上下两电极底板之问，在加热和加压条件下使其完全被包裹。最后的加固过程在 由加热的压印盘产生的真空环境下进行。装配完以后，在恒定电场下对致动器的压电陶 瓷材料进行极化。l a r c - m f c 致动器的交叉指形电极的间隔为00 2 l 英寸，l5 0 0 v 的电 压完成对l a r c - m f c 致动器的完全极化大概需要5 分钟1 2 3 。 基于l a r c m f c 致动器的振动主动控制 2 。2 2l a r c - m f c 致动器的性能 l a r c m f c 致动器是由条状压电纤维与交叉指形电极复合而成，这种特殊的结构使 其具有方向性、耐久性及高应交能量密度等众多优越的性能。实验证明l a r c m f c 致 动器可以产生相当于2 0 0 0 p p m 峰一峰值的高效率的应变。l a r c m f c 致动器已经被应 用于在大型充气式智能空间结构、空间望远镜和高性能的飞行器的颤振控制。 影响l a r c m f c 致动器性能的因素很多，主要有压电纤维的尺寸、交叉指形电极 的尺寸、粘合层的厚度、成型工艺和极化工艺等几个方面。相关的学者从l a r c m f c 致动器制造的角度出发，对其性能进行了研究，并取得了一定的成果，在此就不再累述。 下面从l a r c 。m f c 致动器的应用角度，结合s m a r t m a t e r i a l 公司给出的产品数据，对 l a r c m f c 致动器的性能做概括性的介绍。l a r c m f c 致动器的操作参数如表2 1 所示。 表2 。1l a r c m f c 致动器的操作参数 t a b 2 1o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so fl a r c m f ca c t u a t o r 对于大多数压电致动器而言，其自由应变的测量和对其弹性性能的认识往往是对致 动器效率的最全面的指示。图2 3 给出了典型l a r c m f c 致动器的径向自由应变特性， 并与普通如i 压电陶瓷致动器的自由应变特性进行对比。 图2 3l a r c m f c 致动器豁径向自由应交特性 f i g 。2 3l a r c m f cl o n g i t u d i n a l ( f i b e r - d i r e c t i o n ) f r e e - s t r a i na c t u a t i o nb e h a v i o r 大连理1 二大学硕士学位论文 图2 3 所示是l a r c m f c 致动器在其最大执行电压周期内的径向的准静态致动应 变，从图中可以看出，l a r c m f c 致动器的最大的径向峰峰值自由应变大约为2 0 0 0 p p m 。 为了便于比较，图中也绘出了普通如l 压电陶瓷致动器的自由应变数据，可以看出普通 如l 压电陶瓷致动器的自由应变范围比l a r c m f c 致动器小得多。 2 3l a r c - m f c 致动器的可靠性研究 致动器常被应用于不同的电气和机械环境下，且要求动作频繁的结构，因此必须具 有较强的可靠性。所谓的强可靠性是指致动器在使用过程中没有致动故障和大的致动性 能净衰减。在将l a r c m f c 致动器应用于翼翅结构的振动主动控制前，对其进行可靠 性研究是十分必要的。 2 3 1 实验原理及实验装置 致动器自由应变时的可靠性和应用于机械负载表面时的可靠性是致动器可靠性的 两个重要的定性指标。最简单的可靠性测试是在固定的电压周期内对致动器在相同操作 电压下的应变幅度进行反复测试，记录下一定时间间隔内该操作电压所对应的应变幅 度，绘制在给定电压周期内致动应变的走势图，观测应变幅度的衰减，就可以对制动器 的可靠性进行定性的分析。 本文设计实验研究了在一千万个电周期( 峰一峰值为1 0 0 0 v ，频率为5 0 h z ) 的范围 内，l a r c m f c 致动器自由应变时和应用机械负载表面时的可靠性。整个实验过程室温 条件下进行。 l 出c m f c 致动器自由应变时的可靠性测试实验原理如图2 4 a 所示，将l 水c m f c 致动器一端固定，由控制用计算机通过u s b 数据采集卡将频率为5 0 h z 的正弦电压信号 输送给电压放大器，电压放大器将放大后峰一峰值为1 0 0 0 v ，使l a r c m f c 致动器在该 正弦波电压驱动下振动。每隔三十万个电周期( 即每一百分钟) ，撤除正弦电压信号， 对l a r c m f c 致动器施加5 0 0 v 直流电压，此时通过激光位移传感器测量致动器a 点处 ( 此点的形变量最大) 形变量。图2 4 b 是l a r c m f c 致动器被应用于机械负载表面的 可靠性实验原理图，利用专门制作的一个复合材料板充当l a r c m f c 致动器的机械负 载，将l a r c m f c 致动器粘贴在复合材料板上，取代自由应变致动性能的可靠性测试 实验中的l a r c m f c 致动器。两实验的实验条件和实验步骤相同。本实验的实验装置 分别如图2 5 所示。 基于l a r c - m f c 致动嚣的振动主动控制 鬻 量兰n 控制川j、l l 三三三三二u 俪丽乱素蒜竺 、电所放大器，【采集卡广 絮嚣i i i i i l 而n 1 r 数嚣、 电h 、故人器厂。采集卡 景 ：驯 a ) 自由应变时的可靠性实验原理图( b ) 应片j 于机械负载表面时的可靠性测试实验原理图 图2 4l a r c m f c 致动器可靠性测试原理图 f i g2 4p r i n c i p l eo f l a r c - m f ca c t u a t o r sr e l i a b i l i b r l e s t s 图2 5l a r c m f c 致动器可靠性测试实验装置 f i g2 5 e x p e r i m e n t a l f a c i l i t y o f l a r c - m f ca c t t l m o r sr e l i a b i l i t y t e 啦 火连理工人学硕士学位论文 本实验所使用的t r e km o d e lp z d 7 0 0 双通道电压放大器、u s b 7 3 3 6 多功能数据采集 模块和激光位移传感器等实验设备也是振动主动控制实验中主要设备。相关设备的性能 和使用方法将在第四章中作详细的介绍，这里不再累述。本实验主要用u s b 7 3 3 6 多功 能数据采集模块和l a b v i e w 构建了一个虚拟的信号发生和数据采集装置( 在振动主动控 制实验中，用于输出激振器的控制信号) 。l a b v i e w 是一种图形化的编程语言，它广泛 地被工业界和学术界所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件【2 4 】【2 5 j 。利用 它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都非常生动。 本程序的界面和l a b v i e w 程序框图见附录a 和附录b 。 2 3 2自由应变时的可靠性实验结果及分析 按上一节所述实验原理，如图2 4 a 所示，在室温条件下，每隔三十万个电周期( 即 每一百分钟) ，对l a r c m f c 致动器施加5 0 0 v 直流电压，通过激光位移传感器测量致 动器a 点处的形变量。图2 6 是由实验数据得到的l a r c m f c 致动器自由应变幅度走势 图。 2 7 2 5 星 面2 7 0 0 锹 釜2 6 7 5 2 6 5 0 2 6 2 5 2 6 0 0 0 l x l o e2 x 1 0 63 x 1 0 5 4 x 1 0 6 5 x 1 0 8 6 x 1 0 e 7 x 1 0 6 8 x 1 0 99 x 1 0 e l x l 0 7 n ，电周期 图2 6 室温下l a r c m f c 致动器自由应变幅度走势图 f i g 2 6n o r m a l i z e dr o o mt e m p e r a t u r ef r e e - s t r a i na m p l i t u d et r e n do fl a r c - m f ca c t u a t o r 图2 6 绘出了l a r c m f c 致动器在一千万个电气周期内自由应变的走势。可以看出 在整个测试过程中，应变幅度的衰减幅度很小，其最终应变幅度与初始值相比几乎无衰 减，实验结果表明l a r c m f c 致动器的自由应变致动幅度在一千万个电气周期内几乎 没有衰减，初步证明该压电复合材料致动器具有优良的可靠性。 基予l a r c m f c 致动器的振动主动控制 2 3 3 应用于机械负载表面时的可靠惶实验结果及分析 自由应变不出现重大的衰退是l a r c m f c 致动器可靠性的一个很好的定性指标。 但应用机械负载表面是的动态和静态性能测试是致动器的一种更重要的可靠性测试。如 图2 4 b 所示，在室温条件下，每隔三十万个电周期( 即每一百分钟) ，对l a r c m f c 致动器施加5 0 0 v 直流电压，通过激光位移传感器测量负载样片b 点处的形变量。图2 7 是静态负载下，在一千万个电气周期内l a r c m f c 致动器应变致动走势。 7 ，2 7 1 7 o 8 霉 量6 8 蚓6 7 愀6 6 蹬6 5 6 4 6 3 8 2 8 6 o 0 0 2 o x l c4 0 x 1 0 68 0 x 1 0 e8 0 x 1 0 41 0 x 1 0 n ，电鼹期 圈2 7l a r c m f c 致动器静态