第３Ｏ卷第１期 ２０１０年２月 振动、测试与诊断 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｖｏ１．３０ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１０ 压电纤维复合材料在结构减振中的应用 侯志伟 ， 陈仁文 ， 徐志伟 ， 刘 强 （ 南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室南京，２１００１６） （ 淮阴工学院机械工程学院淮安，２２３００３） 摘要介绍了压电纤维复合材料，并利用该材料设计了自传感驱动器，并将其应用于梁的频响辨识。将该材料用于 飞机垂尾的减振系统，目的是为了抑制在飞行过程中产生的振动和测试压电纤维复合材料在尾翼振动主动控制方 面的性能表现。试验结果表明，该材料具有良好的传感和驱动性能，并且减振效果优于压电陶瓷。 关键词压电纤维复合材料 自感知ＴＢ３４ ＴＢ３８１ 结构减振 自适应算法 中图分类号引 言 压电陶瓷材料在驱动和传感领域有着广泛的应 用，但是在实际应用中又有诸多。例如：容易出 十指 型电 压电 现脆性断裂，在处理和焊接时应特别小心，无法应用 于应变较大的场合［１］。在长期使用过程中，陶瓷内部 会出现微小裂纹，可靠性差，且很难粘贴在表面弯曲 的结构上。 为了克服压电陶瓷的缺陷，国内外学者从事了 图１ ＭＦＣ结构组成 大量研究，其中颇具影响的成果有：１—３型压电聚合 物，麻省理工学院研究的Ａｃｔｉｖｅ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ａｃｔｕａｔｏｒ，以及近年来ＮＡＳＡ Ｌａｎｇｌｅｙ Ｃｅｎｔｅｒ开发 如图２所示，与传统的压电陶瓷相比，ＭＦＣ有 以下主要优点： （１）使用了高分子聚合物和大量的压电纤维， 使得自身的强度有了很大的提高，不会出现脆性断 裂，使用寿命长。 （２）厚度薄、重量轻、韧性大。在对结构驱动和 传感时，不仅不会降低结构本身的强度，而且对结构 的改变更小。 的压电纤维复合材料（ｍａｃｒｏ—ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，简称 ＭＦＣ）［２］，已有不少学者将其作为作驱动元件使 用［３］，但对传感性能的研究却很少。 本文首先简要介绍ＭＦＣ，接着分析ＭＦＣ的驱动 和传感性能，最后将其应用于结构的减振控制。试验 内容包括自感知梁的频响辨识和飞机尾翼的减振。 （３）十指交叉的电极排列方式使得电场方向沿 着纤维的轴向铺盖了整个压电层，所以ＭＦＣ有着更 高的ｄ。。压电常数和机电耦合系数，能够产生更大的 驱动力和输出位移。 １ ＭＦＣ简介 ＭＦＣ将压电纤维和电极以一定的方式排列在 高分子聚合物的夹层中［２］。如图１所示，结构主要由 ３部分组成：ａ．压电纤维层，其中压电纤维以平行的 方式排列在一起；ｂ．附有电极的高分子表层，电极 材料为铜，以十指交叉的方式排列在高分子薄膜中， 且电极丝与下层的压电纤维相互垂直；Ｃ．粘合材料， 通常是环氧聚合物。 图２ ＭＦＣ实物照片 ． 国家自然科学基金资助项目（编号：５０８３０２０１）；航空基金资助项目（编号：０５Ｂ５２００５） 收稿日期：２００８—１２—１８；修改稿收到日期：２００９—０３—２０ 振动、测试与诊断 第３Ｏ卷 ２ ＭＦＣ的传感与驱动性能 根据机电耦合特性，一片压电陶瓷可以既作为 ３ 采用ＭＦＣ的垂尾减振系统 高性能军用飞机在大攻角时，高强度的涡流形 成脉动冲击，引起垂尾结构的振动。持续的涡流载荷 将导致垂直尾翼疲劳损伤，并且严重影响飞机的性 能。控制住尾翼的振动可以减少长期振动所造成的 驱动器使用，又作为传感器使用，称为自传感驱动 器。为了检验ＭＦＣ的传感和驱动能力，设计了ＭＦＣ 自传感驱动器，并对竖直放置的梁进行频率响应辨 识，如图３所示。 疲劳损伤［３］。如果采用压电陶瓷作为驱动和传感元 图３ 自感知梁的电桥原理图 自感知驱动器需要一个电桥将驱动信号和传感 信号分离。电路元件的选择应保证电桥的平衡。试 验选用的电桥参数如下：Ｒ 一Ｒ。＝＝＝４．８ Ｍｉ２；Ｒｚ＝：＝ １００ ｋｌ２；ＣＢ—Ｃ２＝１ Ｆ；Ｃ ｆｃ—Ｃｍａｔｃｈ＇￣９５０ ｐＦ。梁的 材料是铝合金，尺寸为５５０ ｍｍＸ ５０ ｍｉｌｌ×０．５ ｍｍ。 ＭＦＣ粘贴在梁的中间位置，距离根部６．３ ｃｍ处，其 纤维方向与梁平行。利用ＭＦＣ自感知驱动片辨识梁 在Ｏ～１ ０００ Ｈｚ的频响函数，如图４所示。 鲁 ＼ 罂 ｆｌ Ｈｚ 图４梁的频率响应 从图４的试验结果可以看出：ＭＦＣ作为驱动器 时可以激起梁的各个模态；作为传感器时能够较好 地测得梁的响应，试验最终清楚地辨识出梁的共振 频率。这说明ＭＦＣ具有优良的传感性能和驱动能 力，可以用于结构的振动控制。 件，陶瓷本身的脆性缺陷很可能造成飞行事故，存在 极大的安全隐患＿４］。而ＭＦＣ具有韧性大、不会出现 脆性断裂、可靠性高、体积小、质量轻、响应快、驱动 力能力强和易于与结构集成等特点，因而更适合于 飞机尾翼的减振。 ３．１ ＭＦＣ的位置布置 在压电智能结构设计中，传感／驱动元件位置布 置对控制结果有直接影响Ｉ５］，这是由于传感／驱动元 件位置布置不当很容易使系统缺乏可控性和可观性， 最终导致控制溢出。对于飞机尾翼这样的复杂结构， 如图５所示，其精确的数学模型很难获得，所以根据 振型将压电元件置于应变最大处是一条有效的途径。 图５ ＭＦＣ用于某飞机尾翼试验 利用比利时ＬＭＳ公司的Ｃａｄａ—Ｘ模态试验分析 系统对该尾翼模型进行模态分析。首先根据模型的 结构和几何尺寸，在Ｃａｄａ—Ｘ软件中建立了尾翼结构 模型。接着在该模型上选取了２００个测量点，并利用 频率为Ｏ～２００ Ｈｚ的随机信号对模型进行激励，将 响应和激励信号输入到Ｃａｄａ—Ｘ软件中。由模态试验 的分析结果得知：尾翼的１阶模态为整体的弯曲模 态，频率为６ Ｈｚ；第５阶模态为顶部的局部弯曲模 态，频率为２６ Ｈｚ。经验表明，最大模态应变处（图６ 中的虚线区域）是最容易出现疲劳损伤的部位，减振 系统的目的在于通过抑制振动减少局部应变，进而 降低疲劳损伤。 第１期 侯志伟，等：压电纤维复合材料在结构减振中的应用 将压电传感／驱动元件布置于局部应变最大处， 采用对称粘贴方式。底部每侧粘贴７片压电陶瓷和２ 片压电纤维复合材料ＭＦＣ驱动器。顶部每侧粘贴２ 片压电陶瓷驱动器。其中，同侧的压电驱动器正极与 正极相接，负极与负极相接，对称侧压电驱动器反向 极性连接。压电传感器位于驱动器中间，整个系统如 图６所示。这里需要说明的是，ＭＦＣ的性能远高于 压电陶瓷，在航空航天领域有着较好的应用前景，为 了比较这两种材料的性能，所以混合使用了两种压 电驱动器。 图６尾翼减振系统示意图 ３．２自适应控制算法 试验采用自适应前馈控制原理，如图７所示。控 制系统分为两部分：控制信号的产生和控制算法的 加权自适应［６］。图中：ｘ（ｋ）为参考信号，它要求与振 动信号具有相关性；Ｐ（ ）为期望信号，是外界扰动 作用于被控系统的响应。在ｋ时刻，Ⅳ阶有限脉冲响 应滤波器的输出为 Ｎ一１ （五）一＞：Ｗ （忌）ｚ（五——ｉ）一Ｗ （志） （志） （１） 图７ 自适应前馈控制系统原理图 在前馈控制中，控制信号 （忌）并不等于滤波器 的输出ｙ（ｋ）。因为控制器（又称作动器）和误差传感 器之间存在着距离，所以从作动器的输出到误差传 感器之间形成了一个路径传递函数Ｅ Ｃ—Ｅｃｏ，Ｃ 一，Ｃｍ－－１］ （２） 控制器产生的信号为 ｓ（ｋ）一 ｙ（ｋ～ ）ｃ。一Ｙ （志）ｃ （３） 其中：Ｙ（ｋ）一 （ ）ｗ。 代人式（３）得 ｓ（五）一Ｅｘ （是）ｗ］ Ｃ—Ｗ Ｘ，（志） （４） 其中：Ｘ，（ ）一 （是）ｃ，为滤波后的参考信号序列。 算法的目的是寻求最优ｗ（是），使误差信号最 小，即 Ｊ—ｍｉｎＥ ｌｅ。（正）ｌ—ｍｉｎＥｐ（五）＋ （惫）］。一 ｍｉｎ［－ｐ（惫）＋Ｗ Ｘ，（ ）］ （５） 对于梯度下降算法，权系数的更新采用下列形 式 Ｗ（ｋ＋１）一Ｗ（ｋ）一，ｕＡＷ（ｋ） （６） 其中：／１为提高系统的性能而加入到加权系数的部 分负梯度，即收敛系数。 式（５）对权系数Ｗ（惫）求导，得 ＡＷ（ｋ）≈ 一２ｅ（ｋ）ｘｚ（忌） （７） 将式（７）代入式（６）中，得 Ｗ（足＋１）一Ｗ（忌）一２，ｕｅ（ｋ）ｘｚ（ｋ） （８） 算法执行的本质是依据式（９），利用采集到的信 号ｅ（正）和．５Ｃ，（尼）不断地更新权系数Ｗ（是），使驱动器的 输出信号与振动信号相位相反，幅值相等，从而实现 系统的减振。 ３．３试验结果 在尾翼的中部和顶部末端同时施加正弦激励 （激振点位置见图６），频率为６ Ｈｚ和２６ Ｈｚ，使底部 和顶部出现较大的局部应变，激振点位置如图６所 示。控制后，传感器检测到的振动信号明显减弱。 图８是采用ＭＦＣ的尾翼受控前后振动信号的 对比图，图８（ａ）和图８（ｃ）是控制前传感器检测到的 振动信号，主要表现为６ Ｈｚ和２６ Ｈｚ正弦信号的叠 加。图８（ｂ）和图８（ｃ）是控制后的振动信号，振动幅值 几乎下降了１Ｏ倍，这说明ＭＦＣ对尾翼振动有着较 好的抑制效果。 图９为尾翼底部１阶模态的控制效果。从控制过 程来看，振动信号一直稳定控制在较小的范围内。 为了比较ＭＦＣ和压电陶瓷两者的减振性能，只 采用压电陶瓷进行振动控制试验。图１０是底部１阶 模态的控制过程。对比图９可以看出，ＭＦＣ作为尾 翼减振系统中的驱动和传感元件时，减振后的振幅 大约仅为压电陶瓷的一半，说明ＭＦＣ的减振性能优 于压电陶瓷。以上试验结果说明，采用ＭＦＣ的尾翼 能够很好地控制住底部和顶部的振动。 ５４ 振动、测试０．４ ＞ ＞ ＼ ０．０ －０．４ ０ Ｏ Ｏ．５ １．Ｏ ｔ｜Ｓ ｔ／Ｓ （ａ）底部受控前振动信号 （ｂ）底部受控后振动信号 ＞ ＞ ＼ ＼ 目 ｔ／ｓ ｔ｜Ｓ （Ｃ）顶部受控前振动信号 （ｄ）项部受控后振动信号 图８采用ＭＦＣ的尾翼受控前后振动信号对比图 ＞ ＼ 出 图９采用ＭＦＣ的底部１阶模态受控过程 ＞ ＼ 出 图１０采用ＰＺＴ的底部１阶模态受控过程 与诊断 第３ｏ卷 ４ 结 论 本文研究了ＭＦＣ的传感和驱动性能，并将其应 用于梁的频响辨识和尾翼结构的减振。试验结果表 明，ＭＦＣ可以作为优良的传感和驱动元件，其在振 动控制中的表现优于压电陶瓷。 参 考 文 献 ［１］Ｗｉｌｋｉｅ Ｗ Ｋ，Ｂｒｙａｎｔ Ｒ Ｇ，Ｈｉｇｈ Ｊ Ｗ，ｅｔ ａ１．Ｌｏｗ—ｃｏｓｔ ｐｉｅｚｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ａｃｔｕａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｐｐｌｉｃａ— ｔｉｏｎｓ［ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｓｅｖｅｎｔｈ ＳＰＩＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｓｍａｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．ＣＡ， Ｎｅｗｐｏｒｔ Ｂｅａｃｈ：Ｉｓ．ｎ．］，２００６． ［２］ Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｃ，Ｇａｌｅａ Ｔ Ｇ．Ｎｅｘｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｃｔｉｖｅ ｂｕｆｆｅｔ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ［Ｒ］∥ＡＩＡＡ／ＩＣＡＳ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｉｒ ａｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｏｈｉｏ，Ｄａｙ— ｔｏｎ：ｓ．ｎ．］，２００３． ［３］ Ｓｕｒｅｓｈ Ｒ，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｌ，Ｗｉｌｌｉａｍ Ｄ．Ｆ／Ａ－２２ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔａｉｌ ｂｕｆｆｅｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｒ］∥４６ｔｈ ＡＩＡＡ／ ＡＳＭＥ／ＡＳＣＥ／ＡＨＳ／ＡＳＣ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄｙ— ｎａｍｉｃｓ＆Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｅｘａｓ，Ａｕｓｔｉｎ：［Ｓ． ｎ．］，２００５． ［４］ 王威远，魏英杰，王聪，等．压电智能结构传感器／作动 器位置优化研究［Ｊ］．宇航学报，２００７，２８（４）：１０２５— １Ｏ２９． ［５］ 吴志华，徐志伟．时域辨识在垂尾智能结构控制系统中 的应用［Ｊ］．振动、测试与诊断，２００８，２８（１）：６６—６８． ［６］ 贺恩华，朱利民．自适应中值滤波器及其应用［Ｊ］．振 动、测试与诊断，２００６，２６（１）：７０—７２． Ｅ７］ 西蒙・赫金．自适应滤波器原理［Ｍ］．北京：电子工业 出版社，２００４：３６１—３６４． 第一作者简介：侯志伟 男，１９６６年５ 月生，博士研究生、副教授。主要研究方 向为振动主动控制、检测技术。 ｔ Ｅ—ｍａｉｌ：ＺＷ—ｈｏｕ＠１６３．ｃｏｍ
