Полный текст

В последние десятилетия технология интеллекту-альных (smart) конструкций получила широкое разви-тие в применении к управлению механическим пове-дением различных объектов. Для обеспечения необхо-димых эксплуатационных требований (например, неизменность формы параболической антенны, отсут-ствие колебаний в отдельных элементах и т.п.) smart-конструкции могут автоматически адаптировать свою реакцию в форме перемещений, напряжений, ампли-туды колебаний, резонансных частот и т.п. в зависи-мости от внешнего воздействия. Особое внимание при ее решении требуют те объекты, эксплуатация которых происходит в условиях сложного или ограниченного доступа к ним (подводные, высокогорные, космические объекты и т.д.). Возникающие при эксплуатации механических кон-струкций колебательные процессы в случае динамиче-ского внешнего воздействия в некоторых случаях могут быть нежелательными или даже опасными и вызывать сбои, повреждения и шум. Проблема демпфирования колебаний остро стоит для аэрокосмических систем, промышленных изделий, точных инструментов, робо-тов-манипуляторов и других. Управляемое динамиче-ское поведение особенно важно для спутниковых кон-струкций, подвергающихся в космосе различным на-грузкам [1; 2]. Кроме этого, в последнее время все возрастает тенденция уменьшения размеров беспровод-ной электроники и возрастание потребляемой мощно-сти, увеличение жизнеспособности беспроводных элек-тронных устройств, что делает привлекательным ис-пользование в качестве источника питания энергию колебаний, вызываемых внешним воздействием [3]. Это стимулирует интерес исследователей к использованию систем управления динамическими процессами, эффек-тивно работающих без участия оператора и в изменяю-щихся условиях внешних воздействий. Создание таких smart-конструкций требует муль-тидисциплинарного подхода, разработки адекватных математических моделей, описывающих колебания этих систем [4; 5], алгоритмов и методов решения по-ставленных задач. Интеллектуальные конструкции включают в себя датчики, которые измеряют состояние системы, исполнительные механизмы, которые прикладывают управляющие силы, и элементы обра-ботки сигналов (контроллер), преобразующие изме-ренные сигналы от датчиков в управляющие сигналы, подаваемые на актуаторы. При этом требуются комби-нирование материалов, датчиков и актуаторов, а также систем управления, что значительно усложняет процесс математического моделирования поведения такой системы и поиск параметров, обеспечивающих опти-мальные динамические характеристики конструкции: физических, механических, геометрических, электри-ческих [6–8]. Выделяются две основные стратегии управления механическим поведением конструкций: пассивная и активная. Smart-системы, имеющие в своем составе только датчики, которые позволяют вести наблюдение за состоянием конструкции, являются пассивными. В настоящее время внимание исследователей сконцентри-ровано на двух типах материалах, которые наиболее удобны для использования в качестве датчиков или сенсоров. Это – оптические волокна и пьезоэлектри-ческие материалы. Для изготовления активных управляемых или реа-гирующих smart-систем дополнительно к сенсорам не-обходимы актуаторы или исполнительные механизмы, способные вызывать деформацию основной конструк-ции заданным образом. В настоящее время в качестве актуаторов применяют: сплавы с памятью формы, пье-зоэлектрические материалы, электрострикционные и магнитострикционные материалы, электрореологиче-ские жидкости. Обзоры функциональных материалов, используемых в интеллектуальных структурах, даны в работах [9–11]. Способы применения материалов, которые могут выполнять роль актуаторов, можно разделить на две группы: это исполнение некоторых элементов конст-рукций из таких материалов (секция ферменной конст-рукции, длиной которой можно управлять) либо встраивание внутрь конструкции (элемент из пьезома-териала, закрепленный на поверхности или встроенный внутрь многослойной конструкции) [12]. Широкое использование пьезоматералов обуслов-лено двумя главными причинами. Первая – наличие у пьезоматериалов прямого и обратного пьезоэлектриче-ского эффекта, что позволяет использовать пьезоэле-менты как в качестве датчиков, так и в качестве актуа-торов [13]. Вторая причина состоит в том, что техноло-гически реализуемая для пьезоматериалов возможность создания электропроводящей поверхности позволяет подключить к smart-конструкции различные варианты электрических цепей [14; 15], реализуя пассивную стра-тегию управления механическим поведением smart-конструкции. Наряду с пассивным используется и активный спо-соб управления динамическим поведением конструк-ций, например, для демпфирования колебаний. Сущест-вуют два принципиально различных подхода к активному гашению колебаний или к минимизации отклонений от положения точек конструкции при от-сутствии внешнего воздействия любого рода: c обратной связью и с упреждающей адаптивной фильтрацией [14; 16–18]. Alkhatib и Golnaraghi в [16] приводят основатель-ный обзор существующих активных методов управле-ния колебаниями и проблем, связанных с их примене-нием. Fisco и Adeli [17] представляют обзор различных активных и полуактивных систем управления, исполь-зуемых в основном в гражданских сооружениях. Теории активного управления колебаниями посвящена работа Preumont [18]. Проблема управления механическим поведением smart-конструкций состоит из двух частей: первая свя-зана с решением вопроса об оптимальном распределе-нии датчиков и исполнительных механизмов в системе, а вторая часть заключается в выборе стратегии управ-ления и ее реализации. Gupta et al. в [19] рассмотрели наиболее часто используемые критерии оптимизации размещения датчиков и актуаторов на конструкции. Если распределение внешних возмущений известно заранее, первая проблема может быть решена с помо-щью метода управления формой. Впервые он был вве-ден Haftka и Adelman [20] для случая квазистационар-ного воздействия, как в дискретной формулировке, так и в формулировке сплошной среды. Обзор статического и динамического управления формой конструкции с использованием пьезоэлектрического актуаторов при-веден в [21; 22], а возможности его практического при-менения – в [23]. Однако, как правило, внимание исследователей сосредоточено на разработке и реализации закона управления – на получение сигнала, снимаемого с сенсора и подаваемого на актуатор после его усиления. Обзор различных способов активного управления, включая линейный квадратичный, линейный квадратичный гауссовский, нейронные сети и так да-лее, в применении к гражданскому строительству представлены в [24; 25]. Существует два альтернативных подхода к управ-лению колебаниями систем с распределенными пара-метрами. Первый подход – это местное или децентрали-зованное управление, которое подразумевает, что дат-чики и актуаторы используются парами, и каждый датчик подключен только к одному соответствующему актуатору, расположенному в той же области механического объекта [26]. Второй подход предполагает независимое управле-ние различными режимами колебаний механического объекта. Он был сформулирован в [27] и получил свое развитие в [28; 29]. Примеры успешного применения модального метода к управлению колебаниями пластин и оболочек с использованием преобразователей PZT и PVDF можно найти в работах Tanaka и Sanada [30], Zenz et al. [31] и других. Однако факторам, которые могли бы дополнитель-но способствовать получению требуемого отклика кон-струкции на управляющее воздействие, исследователя-ми практически не уделяется внимания. Тем не менее, понимая реакцию конструкции на управляющее воздей-ствие, можно снизить требования к аппаратной части, формирующей управляющий сигнал, подаваемый на актуатор, количество требуемых сенсоров и актуаторов и так далее [32–34]. Решению вопросов, которые позволят получить наилучший отклик smart-конструкции на управляющее электрическое воздействие при наличии механического возбудителя колебаний, посвящены исследования, представленные в данной работе. В статье на основе результатов решения задач о собственных и вынужденных установившихся колеба-ниях электровязкоупругих тел проведена оценка влия-ния ряда параметров, характеризующих внешнее элек-трическое воздействие, прикладываемое к пьезоэлемен-ту, на характеристики механического отклика связанной электромеханической системы в различных условиях.

Об авторах

Н. А. Юрлова

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Д. А. Ошмарин

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Н. В. Севодина

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 159

PDF (Russian) - 124