<sub id="pnphf"><listing id="pnphf"><thead id="pnphf"></thead></listing></sub>
    <address id="pnphf"></address>

    <p id="pnphf"></p>

    <address id="pnphf"></address>
    <i id="pnphf"></i><big id="pnphf"><span id="pnphf"><dfn id="pnphf"></dfn></span></big><pre id="pnphf"><sub id="pnphf"><progress id="pnphf"></progress></sub></pre>
      <ruby id="pnphf"><progress id="pnphf"></progress></ruby>
      褶皺薄膜結構振動分析與控制-項目案例-污水池加蓋-反吊膜|膜加蓋-除臭加蓋-膜結構公司-上海華喜膜結構工程有限公司
      網站首頁 解決方案 項目案例 新聞動態 膜材介紹 關于華喜 聯系方式 EN
      首頁 > 新聞動態 > 公司動態

      褶皺薄膜結構振動分析與控制

      發布時間:2021年3月19日 點擊數:990

      大型空間薄膜結構由于其質量輕、收藏體積小、成本低、易折疊等優點得到廣泛關注,然而在張拉薄膜結構中通常存在褶皺[1],褶皺的存在不僅會降低薄膜結構的表面精度,還會改變薄膜中的應力分布,影響薄膜結構的動態性能[2,3]。已有文獻中,KUKATHASAN et al[4]通過實驗分析了不同褶皺形態下薄膜振動特性的變化,驗證了褶皺的存在可改變薄膜結構的振型和固有頻率;HOSSAIN et al[5]在ABAQUS軟件中引入罰參數修正材料模型,說明褶皺對薄膜結構的振動特性有影響。因此,對薄膜結構進行動態特性分析時,應當考慮褶皺引起的質量矩陣和剛度矩陣的變化。

      本文在ANSYS有限元軟件中采用殼單元建立正方形薄膜結構,首先利用非線性有限元屈曲分析得到薄膜結構的褶皺形態[6],引入褶皺信息更新有限元模型進行模態分析,對比有無褶皺2種情況下薄膜結構各階固有頻率和模態振型。以初始褶皺形態作為振動平衡位置,在薄膜表面一點施加垂直于膜面方向的沖擊擾動進行瞬態分析[7,8],得到褶皺薄膜的振動曲線。在此基礎上,設計PID控制系統,通過MATLAB/ANSYS聯合仿真驗證控制方法對抑制振動的有效性,從而提高薄膜結構的在軌穩定性[9,10]。

      1 褶皺薄膜模態分析

      建立圖1所示正方形(邊長L=500 mm)薄膜結構的有限元模型,薄膜楊氏模量E=2.5 GPa,泊松比ν=0.34,密度ρ=1 400 kg/m3,厚度h=25 μm。為避免應力集中、求解不收斂的情況,將4個角切除,L1=25 mm。邊界條件為四角固支,在4個頂點處的直線上施加沿法線方向的位移載荷VX=1.0 mm,VY=0.25 mm。

      圖1 正方形薄膜結構位移載荷施加示意圖

      圖1 正方形薄膜結構位移載荷施加示意圖   下載原圖

      Fig. 1 Schematic diagram of square membrane structure with displacement loads

      根據已有研究成果,當X方向和Y方向拉力比值大于等于4時形成貫穿中心的橫向褶皺[6],更新模型并進行模態分析,去除噪聲振型后提取前4階固有頻率和模態振型,如圖2所示。從振型圖上即可看到褶皺形態,說明褶皺對薄膜結構的動態特性產生了影響。

      2 褶皺薄膜瞬態分析

      薄膜結構自由振動時,僅考慮面外振動,振動構形函數為wv,考慮褶皺的存在,引入褶皺變形函數wz,則振動過程中薄膜彎曲形變勢能Ep1為:

      圖2 前4階固有頻率和模態振型圖

      圖2 前4階固有頻率和模態振型圖   下載原圖

      Fig.2 Schematic diagram of the first four natural frequencies and modal shapes

       

      薄膜的應變勢能Ep2可以表示為:

      Ep2=Ehm2(1-ν2)(εx2+εy2+2νεxεy+1-ν2γxy2)dxdy(2)

      式中:εx,εy分別是X方向和Y方向的應變,γxy是切應變。它們與振動構形函數和褶皺變形函數的關系可以表示為:

       

      將式(3)代入到式(2),得到薄膜應變勢能的表達式為:

       
       

      薄膜自由振動時的動能為:

      Ev=12ρhm(wvt)2dxdy (5)

      wvwz均表示成級數形式[11]:

       

      將式(6)分別代入式(1)和(4),得到振動過程中總勢能為:

      Ep=Ep1+Ep2=12(kijklqijkl+kijqij+kijkl)(7)

      將式(6)代入式(5),得到動能的表達式:

      Ev=12mijq˙iq˙j (8)

      式中:kijkl,kij,kijkl,mij的具體表達式如下:

      kijkl=Ehm4(1-ν2)(wvixwvjxwvkxwvlx+wviywvjywvkywvly+2wvixwvjxwvkywvly)dxdykij=Δ(2wvix22wvjx2+2wviy22wvjy2+2ν2wvix22wvjy2+2(1-ν)2wvixy2wvjxy)dxdy-Ehm2(1-ν2)(wvixwvjxwzixwzjx+wviywvjywziywzjy+νwvixwvjxwziywzjy+νwviywvjywzixwzjx+2(1-ν)wvixwzixwvjywzjy)dxdykijkl=Ehm4(1-ν2)(wzixwzjxwzkxwzlx+wziywzjywzkywzly+2wzixwzjxwzkywzly)dxdymij=ρhmwviwvjdxdy

      將式(7)-(8)代入拉格朗日方程,最終得到褶皺薄膜結構的非線性振動微分方程:

       

      當膜面存在褶皺時,膜面上各點的振動平衡位置不再是0,根據上一節建立的有限元模型,當VX=1.0 mm,VY=0.25 mm時得到圖3所示褶皺形態,各點褶皺幅值即為無振動時的平衡位。進行瞬態分析,在1.3 s時施加沖擊擾動,擾動幅值為4 mm,作用時間為0.02 s,仿真總時間為4 s。在后處理/POST26中提取擾動施加節點號和褶皺峰值P點節點號對應的振動值,通過/OUTPUT指令將時間與振動值保存到文本文檔中,繪制得到圖4所示的擾動點處振動曲線圖,可以看到,在1.3 s之前該點處于靜止狀態,1.3 s時出現擾動信號,之后膜面開始振動,振動頻率約為28.5 Hz,與圖2中的一階固有頻率值相吻合。

      圖3 褶皺形態

      圖3 褶皺形態   下載原圖

      Fig. 3 Wrinkle shape

      圖4 擾動點處的振動曲線

      圖4 擾動點處的振動曲線   下載原圖

      Fig. 4 Vibration curve at disturbance point

      圖5為褶皺峰值P點處的振動曲線,1.3 s前該點處初始平衡位置為褶皺變形量0.80 mm。

      3 MATLAB/ANSYS聯合振動控制仿真

      如圖6所示,在薄膜結構頂點附近安裝壓電作動器,通過垂直膜面的運動有效抑制薄膜振動。由于薄膜結構振動模型是高度耦合的非線性方程,很難基于模型設計控制器,因此在ANSYS中建立有限元模型進行瞬態分析作為被控對象,在MATLAB軟件中設計不基于模型的PID控制器,如圖7所示,yr(t)為參考輸入信號,y(t)為ANSYS模型后處理提取的P點處振動量。PID控制器輸出表達式為:

      ua=Κpe(t)+Κi0te(t)dt+Κdddte(t) (10)

      式中:Kp為比例系數,Ki為積分系數,Kd為微分系數,e(t)=y(t)-yr(t)為輸出誤差,壓電作動器輸入電壓ua與壓電作動器輸出位移u之間近似成線性關系:

      u=Kaua (11)

      式中:Ka為壓電常數。

      圖5 P點處的振動曲線

      圖5 P點處的振動曲線   下載原圖

      Fig. 5 Vibration curve at point P

      圖6 壓電作動器安裝示意圖

      圖6 壓電作動器安裝示意圖   下載原圖

      Fig. 6 Schematic diagram of membrane structure with piezoelectric actuators

      圖7 MATLAB/ANSYS聯合振動控制系統框圖

      圖7 MATLAB/ANSYS聯合振動控制系統框圖   下載原圖

      Fig. 7 Block diagram of MATLAB/ANSYS joint vibration control system

      在MATLAB軟件中編寫m文件,設置Kp,Ki,Kd以及Ka的值。進行MATLAB與ANSYS聯合仿真時,首先在ANSYS軟件中進行褶皺薄膜瞬態分析,利用*GET命令提取P點振動值,然后用*VWRITE命令把數據寫入由*CFOPEN打開的中轉文本文件vibration.txt中,該文本文檔中的數據在每次仿真后會被覆蓋,在數據變化之前,由MATLAB通過textread命令讀取結果并進行運算,運用save命令將計算得到的壓電作動器輸出位移保存到文本文檔u.txt中,之后ANSYS采用*VREAD命令讀取u.txt文檔中的數據,引入有限元模型中,并進入下一次瞬態分析。程序自動按照先后順序進行運算,設定運行時間為4 s,仿真結果如圖8所示,認為輸出誤差在±0.01 mm內即滿足要求,可以得到振動時間約為3.17 s,說明控制系統可有效抑制薄膜振動。

      圖8 PID控制P點處振動曲線

      圖8 PID控制P點處振動曲線   下載原圖

      Fig. 8 Vibration curve at point P with PID control

      4 結論

      通過仿真結果對比得到如下結論:引入褶皺后,在振型圖上可以清晰地看到褶皺形態;從褶皺峰值點處振動曲線可以看到,其平衡位置點即為褶皺變形值,說明褶皺的存在改變了初始平衡狀態;通過控制后的振動曲線可以看到,振動時間為3.17 s時將振幅控制在±0.01 mm內,驗證了控制方法對抑制振動的有效性。

      專題報道             more...
      • 軌道交通中膜結構的應
        ...

        查看更多

      • 膜結構建筑保溫內襯技
        剛查縣為青海省海北藏族自治州轄縣,青海省措溫波高原海濱藏城演藝中心,作為剛查縣的標志性建筑,演藝中心為直徑50米的圓形建...

        查看更多

      • 膜結構幕墻的應用
        膜結構幕墻是膜結構在建筑外圍護結構的應用,具有膜結構的共同特性和優點:膜結構是一種非傳統的全新結構方式。...

        查看更多

      • 膜結構屋面的應用
        屋蓋是房屋最上部的圍護結構,應滿足相應的使用功能的要求,為建筑提供適宜的內部空間環境。屋蓋也是房屋頂部的承重結構,受到材...

        查看更多

      • 膜結構應用于環保工程
        隨著我國國民經濟飛速發展和市政基礎設施建設全面展開,特別是污水處理廠等環保項目日益增多,其中有相當數量的污水處理廠的厭氧...

        查看更多

      • 膜結構在污水處理廠中
        相當數量的污水處理廠的厭氧池、污泥濃縮池、生物絮凝池等建于居民區、廠區的周邊,污水池的環境、風貌及污水臭味等直接影響人們...

        查看更多

      關于華喜

      硬件實力 質量控制 發展歷程 公司簡介

      軟件實力 經營理念  解決方案 聯系方式

      中國華喜建筑網站

      +021-59198545 400-176-6885 dshx@hxmjg99.com www.azsjy.com 滬ICP備08009856號 使用條款

      菠萝菠萝蜜免费高清在线观看视频
      <sub id="pnphf"><listing id="pnphf"><thead id="pnphf"></thead></listing></sub>
        <address id="pnphf"></address>

        <p id="pnphf"></p>

        <address id="pnphf"></address>
        <i id="pnphf"></i><big id="pnphf"><span id="pnphf"><dfn id="pnphf"></dfn></span></big><pre id="pnphf"><sub id="pnphf"><progress id="pnphf"></progress></sub></pre>
          <ruby id="pnphf"><progress id="pnphf"></progress></ruby>