考虑减振性能和控制能耗的压电智能结构拓扑优化方法项目摘要

压电智能减振结构在改善薄壁结构动力学性能中发挥着重要作用。本项目以压电智能结构减振和降低能耗的需求为背景，深入研究基于主动控制的压电智能结构拓扑优化基础机理，发展考虑减振性能压电智能结构拓扑优化方法，研究压电智能减振结构优化中能耗约束的合理提法，并应用于形状固定压电组件—承载结构集成动力拓扑优化设计之中。针对主动振动控制下合理的压电材料拓扑优化模型、主动振动控制能耗对压电智能结构拓扑优化的正则化机理、压电智能结构动力学响应的高精度灵敏度分析算法等关键科学问题，预期在建立合理的压电智能减振结构拓扑优化列式及求解方法、提出考虑主动振动控制能耗的压电智能结构拓扑优化新模型、建立状态空间下结构动力响应的高精度灵敏度分析方法开展系统的创新性研究。项目将对深入理解压电智能减振结构设计机理，完善压电智能结构动力学优化方法，对提高减振结构设计水平具有指导意义。

本项目针对动力荷载下压电智能结构减振及降低控制能耗的需求，提出能够有效降低结构振动程度的压电智能结构拓扑优化模型，揭示压电智能结构拓扑优化问题中考虑能量消耗的合理性，并建立能够同时兼顾结构动力响应特性和能量消耗的压电智能结构拓扑优化方法；研究非比例阻尼压电智能结构优化问题中动力学响应和灵敏度分析难题并发展高效稳定的数值求解方法，并应用于动力荷载下基于多水平集描述的内嵌形状固定压电传感/作动元件—承载结构集成拓扑优化设计。通过本项目研究，获得了振动控制效率高、系统稳定性好的压电传感/作动元件布局设计。本项目在研究期间取得以下成果：（1）建立合理的压电智能减振结构的动力学拓扑优化方法，提出能够有效衡量结构振动能量耗散的优化目标函数，建立优化问题模型并发展相应的灵敏度分析方法。（2）研究主动控制能耗在压电智能结构减振优化中的合理性，发展相应的优化求解技术；通过实验验证所得压电智能结构最优布局设计，在结构动力学拓扑优化领域前沿问题的研究中取得创新性成果。(3) 项目执行期内发表多篇学术论文，参加多次国际学术会议。 2100433B

本书介绍了智能结构的概念和内涵，广泛分析了压电智能结构振动系统所涉及的关键技术，对结构动力学建模、粒子群寻优算法、自适应滤波控制策略及其控制系统的构建进行了深入的研究。本书主要内容包括以下几个方面：首先，介绍了智能结构振动控制的发展现状及存在的关键性技术；其次，利用行波分析法着重分析了压电智能悬臂梁和L型压电智能框架结构的动力学建模方法；然后，采用粒子群优化策略研究了压电传感器作动器位置优化问题；最后着重分析了自适应滤波振动控制方法及其性能分析。依据前几章的算法分析，搭建结构振动控制实验平台，开发振动控制软件系统，分别针对所研究的结构振动自适应滤波控制方法及其实现算法进行实验验证，并对实验数据进行处理分析。

本书内容主要涉及压电智能结构动力学分析、压电元件优化配置策略、结构振动自适应滤波控制方法及其算法，以及实验系统构建和实验分析验证等，尤其在自适应滤波控制方法方面进行了深入的探索和有益的实践，并取得了一些创新性的成果。

本项目采用新型被动压电摩擦阻尼器替代双层网壳结构中的部分杆件，对其进行减振控制。既不改变原结构的网格形式，又能充分利用被动压电摩擦阻尼器的可调滞回特性，可有效控制网壳结构在强烈振动下的响应。研究对于开发网壳结构的新型阻尼器，提高网壳结构的控制效果，提出网壳减振结构的实用设计方法，提高现役大跨网壳结构的抗震等级具有重要意义。本项目针对网壳结构的压电摩擦阻尼替代杆式构件及其减振控制性能展开理论分析、数值计算和实验研究工作。拟研制新型杆式被动可调压电摩擦阻尼器，建立阻尼器的恢复力模型，并进行阻尼器的力学性能实验，研究阻尼器的可靠性；建立杆式压电摩擦阻尼器和网壳减振结构的数值模型，基于已有的有限元软件，编制网壳减振分析的二次开发程序；探索杆式压电摩擦阻尼器在网壳结构中的布置原则及参数影响；进行网壳结构减振控制的振动台实验；提出基于性能的网壳减振结构的实用抗震设计方法。

本项目针对网壳结构的阻尼替代杆式减振控制及其性能共进行四部分的主要研究工作：压电摩擦阻尼器的构造设计及性能分析、网壳减振结构的动力分析及性能设计、网壳减振结构实验研究以及网壳减振结构的阻尼器布置研究。研究较为全面地分析了阻尼替代杆式网壳结构的动力特性及减振机理，对阻尼器的布置原则以及优化布置方式进行了深入的分析，并通过实验加以验证。采用新型压电摩擦阻尼器替代网壳结构的某些杆件，可以在不改变原来结构网格形式的条件下，对网壳结构进行有效的控制。提出了阻尼器的基本构造，对其力学机理进行了研究，并在此基础上建立了阻尼器的数值分析模型。在此基础上，建立网壳减振结构动力分析数值模型。对多种阻尼器布置方案的网壳结构模型进行了数值分析，分析阻尼器布置方式、布置数量、阻尼系数、阻尼器刚度以及结构参数对网壳减振结构动力响应的影响。对设置阻尼器的网壳结构进行了动力稳定性及失效的分析，编制程序进行结构动力全过程分析和性能设计。对压电驱动器进行性能实验，进而对压电摩擦阻尼器进行滞回实验，实现了多种滞回模型。在两种常用地震作用下对设置阻尼器的结构进行动力实验，对数值分析结果加以验证。采用特征值扰动法，并参考地震谱的概念，对网壳结构阻尼器最优布置位置进行灵敏度分析。 2100433B