形状记忆合金增强弹性梁主动振动控制中的驱动器布局研究

　　1　引言

　　形状记忆合金增强复合材料(Shape Memory AlloyReinforced Composites,简称SMARC)是一种新型的、具有强度和刚度自适应的材料,由SMA驱动器和基体材料通过特殊的工艺复合而成。具有多种变形形式,变形量大,受限回复时可以产生很大回复力等特点,能够满足自适应的要求,是一种传统材料的替代型产品,具有很大的应用潜力。

　　SMA材料独特的性能使其具备了智能化的特点。由于它价格低,灵敏度高,易于和基体耦合,作动效果明显,能量储存和传输能力强,因而SMA驱动器被广泛地使用在高柔性和低固有阻尼特性结构的主动控制中。

　　但以往相关的研究多集中在如何利用均匀铺设的SMA驱动器对结构振动进行抑制,而对驱动器在复合材料中其他形式的布局以及振动激励研究较少。本研究旨在对SMARC主动控制中驱动器的布局进行分析研究,在利用SMA驱动器对结构振动进行抑制的同时,还进行了振动激励实验。

　　本研究对三种不同驱动器布局的悬臂梁进行了主动控制实验。三种布局方案为,(1)中截面铺设SMA驱动器。(2)上下表面对称均匀铺设SMA驱动器。(3)单侧表面铺设SMA驱动器。通常,这里所说的控制包括对振动的抑制和对结构的激励。通过研究表明,SMARC中不同的驱动器布局对结构振动抑制和激励的效果影响较大。在工程应用中,可以根据具体的控制目标和条件,选择不同的布局方案。

　　2　实验中的计算机主动控制系统

　　在实验中,设计并实施了具有自适应控制能力的计算机监控系统。该系统在以往自适应控制研究的基础上,加以改进,形成了一个具有自适应特点的完整闭环控制系统。该系统采用应变计作为外传感器,通过微机控制SMA驱动器。可以对SMARC进行主动振动控制,包括振动的抑制和激励。控制系统参见图1。当需要对结构进行振动抑制时,传感器采集结构上连续变化的振动信号,通过计算机判断与计算,输出控制信号,由SMA电压激励器与相位控制器产生激励电压,驱动SMA驱动器产生与结构振动相位相反的回复力,以形成自适应结构上的主动阻尼,起到抑制振动的作用;利用相反的原理,激励SMA驱动器产生与相位相同的驱动力,就可以激励结构的振动,从而实现结构的激励或再激励。

　　3　主动控制实验

　　用于实验的SMARC的基体为玻璃纤维/环氧树脂,SMA丝的直径为0.5mm(Ni含量为50.8%)。SMA纤维预先都进行了记忆训练和3%的预应变拉伸。将训练过的SMA驱动器按照三种不同的驱动器布局方案铺入基体,固化处理。前两种布局分别参见图2和图3,第三种布局方案是第二种布局的一个特例,即在控制过程中,只使用单侧的驱动器。