宏纤维复合材料在管道结构振动主动控制上的应用

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文道的振动控制措施。这些措施和方法，不仅在配管的设计阶段中，而且在压缩机工作时，安全运转受到威胁而不能作大的调整时，都具有重要的指导意义。张锴锋[3]研究了两端铰支和两端固定输流管道在脉动内流作用下参数共振的主动控制问题。首先分析了输流管道在脉动内流作用下的稳定性。之后针对输流管道的参数共振设计了主动控制器。控制中采用压电陶瓷片作为激励器和传感器。国外利用压电等智能材料于管道振动控制的例子相对较多，法国的PhilippeBouchilloux[4]将放大压电驱动器(APA：AmplifiedPiezoelectricActuators)借鉴到了船舶的防震抗噪当

2、中去。其中，放大压电驱动器的原理是通过轴向的压电单元的伸缩，使其在纵向产生放大了的变形。其优点是能够提供沿作动方向的大位移以及大的驱动力，且结构简介紧凑。放大压电驱动器的型变量在0.3%到5%之间。相比之下，多层压电驱动器为0.1%。比如说，在200V的作动下，APA200M作动器产生的变形大于200微米，短轴约束力为50N，其短轴长度仅为17毫米。其外形图以及有限元模拟图如图1-2、图1-3所示。图1-2APA外形图[4]Fig.1-2TheoutlookofAPA[4]图1-3APA有限元模拟图[4]Fig.1-3ThesimulationofAPAbyfinite-elementm

3、ethod[4]-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文该驱动器用于减少船体内发动机、传输管道产生的振动噪声。其应用效果图如图1-4所示：图1-4APA应用效果图[4]Fig.1-4TheapplicationfigureofAPA[4]另外，韩国的DuhanJung等人对弯曲管道的水流振动进行了研究，利用半闭环方法对其振动进行了控制。印度的M.R.Naniwadekar[5]等人利用频域法对管道的模态进行了分析。本试验控制部件所采用的宏纤维复合材料(MacroFiberComposites-MFC)[44],如图1-5所示,是由美国航空航天局(NASA)的Langley研究中心开发出来,主

4、要是克服ActiveFiberComposite(AFC)的制作困难,将块状的PZT切割成条状后按需要的转角埋裹于环氧基中,因此可以大幅度提高PZT的组成率。相对地保有AFC具有特定方向致动和弹性的优点，同时有相当高的致动效率，上下为可施加电场的指叉式电极结构。MFC压电原件具有轻质、高效、制造容易等优点，更重要的是可应用于曲面结构，因此近年对于他的基本性质和应用的研究日渐增多。其在管道振动控制方面具有质轻、高效的特点。[44]图1-5MFC外观图[44]Fig.1-5TheoutfigureofMFC-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2宏纤维复合材料的发展综述宏纤维复合材料是一种

5、压电复合材料，该材料是将压电聚合物和压电陶瓷按一定的组分比例、空间几何分布及连通方式复合在一起，使其具有压电陶瓷和压电复合材料的优点[6]。压电复合材料的特性主要由各相的连通方式来决定。1-3型压电复合材料是目前研究最多和应用最广泛的一种压电复合材料。压电陶瓷柱复合材料为1-3型压电复合材料最初的类型。与纯压电陶瓷材料相比，优点为：聚合物的保护作用使得复合材料在很大程度上克服了纯压电陶瓷在强度、脆性方面的缺陷，同时大大的增加了纵向的耦合系数。1-3型压电纤维复合材料(PFCs)在压电相排列方式上不同于压电陶瓷柱复合材料，压电陶瓷纤维复合材料沿纤维长度方向埋入聚合物基体相之中，上下表面为电

6、极层，极化方向为厚度方向，主要利用横向压电应变常数d31。压电纤维复合材料随着纤维结构的使用增加了复合材料的相容性，扩大了压电纤维复合材料的应用范围；纤维的使用使压电复合材料具有各向异性。1-3型压电纤维复合材料的主要缺点是作动能力较低，外用电场的作用效率低，在聚合物中易引起电场集中造成聚合物的破坏。1-3型压电纤维复合材料作动能力低主要归因于PFCs利用的是较低的横向压电应变常数d31。指叉电极的采用使得利用纵向压电常数高的优点成为可能 [7]。1-3型指叉电极压电纤维复合材料(IDEPFCs)是指叉电极技术和陶瓷纤维综合应用的产物。1-3型IDEPFCs最大的特点是：压电纤维长度方向

7、与工作表面一致，极化方向沿纤维长度方向，电极极性沿纤维方向按+、-、+、-……排列，主要利用纵向压电应变常数d33。随着指叉电极的使用提高了陶瓷相的利用率，使工作应变得提高成为可能，也进一步增加了各向异性。缺点是：圆截面的压电纤维与指叉电极的接触面积比较小，如图1-7，降低了外加电场的利用效率。Macro-FiberComposite(MFC)是由NASA的LangleyResearchCenter(简称： LaRC)所研发的智能型