主动约束层阻尼结构多目标优化及自适应控制研究

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1、主动约束层阻尼结构多目标优化及自适应控制研究重庆大学博士学位论文学生姓名：张东东指导教师：郑玲教授专业：车辆工程学科门类：工学重庆大学汽车工程学院二O一五年四月StudyonMulti-objectvieOpimizationandAdaptiveControlofActiveConstrainedLayerDampingStructureAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegr

2、eeofMechanicalEngineeringByZhangDongdongSupervisedbyProf.ZhengLingSpecialty:VehicleEngineeringCollegeofAutomotiveEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2015中文摘要摘要汽车已成为当今世界最重要的交通工具，人们对汽车的舒适性要求也越来越高。这使得车辆的NVH(Noise,Vibration,Harshness)性能成为衡量其质量的重要标志

3、，世界各大汽车企业都将其作为重要的研究内容。另一方面，节能、环保是汽车工业可持续发展面临的关键问题之一，轻量化技术则是目前应对这一问题最有效的方法。但汽车轻量化的发展会使得车身壁板变薄，弱化车身对中低频噪声的衰减能力，引起车辆NVH性能恶化。这种情况下，采用常规的NVH控制技术已难以达到令人满意的减振降噪效果。本文在这样的背景下，围绕采用主动约束层阻尼(ActiveConstrainedLayerDamping,ACLD)技术减振降噪这一主题，以车身薄壁构件的抽象物理模型——薄板结构为主要研究对象，在ACLD薄板多目标

4、优化设计、振动噪声主动控制策略等方面开展深入研究，并初步探讨了将ACLD技术应用于封闭腔体振动噪声控制的可行性，为ACLD技术走向工程应用奠定理论基础。本文的主要研究内容如下：①建立了ACLD板结构的有限元动力学模型。考虑压电材料本构方程、粘弹性材料特性的复常数和GHM表征模型，结合合理的ACLD复合单元，采用有限元法建立了ACLD板结构的动力学模型。通过数值算例和模态实验对比，验证了模型的正确性。②约束层阻尼（ConstrainedLayerDamping,CLD）板结构的多目标优化研究。以CLD片体的布置位置、粘弹

5、性层厚度hv以及压电约束层厚度hc等为设计变量，以多阶模态损耗因子最大化为目标函数，建立了CLD板结构的多目标优化模型；提出了改进的非支配排序遗传多目标优化算法(INSGA-II)，并通过算例验证了其性能的优越性。采用分步优化策略，首先对CLD片体的位置进行寻优，进而对hv和hc进行优化配置；采用一体化优化策略，同时对CLD片体的位置、hv和hc实现了优化配置。在得到Pareto最优解集内，分析了CLD片体的优化配置特点，讨论了变量之间的匹配关系，结果表明：两种优化策略都可获得多种CLD板的Pareto最优配置方案；C

6、LD片体的位置布置与结构模态应变能分布相关；在不同的约束条件下，CLD片体、厚度参数hv，hc之间都存在匹配关系。进一步，对CLD片体的位置布局进行了实验研究，验证了优化结果的可靠性。③ACLD板结构振动自适应控制研究。采用平衡降阶法对ACLD悬臂板动力学模型降阶。设计了基于FxLMS算法的自适应前馈控制器，进行了ACLD板振动控制仿真研究，分析了影响控制效果的因素，结果表明：可以实现对ACLD悬臂板振动的有效控制；次级通道延迟特性对控制效果有着重要影响。进一步，设计I重庆大学博士学位论文了基于次级通道在线辨识FxLM

7、S算法的自适应控制系统，对ACLD悬臂板的振动控制进行了仿真和实验研究，研究表明：ACLD技术可以有效抑制结构振动；设计的自适应控制器具有良好的自适应性。④ACLD板结构振动复合控制研究。针对前馈控制系统中会引入随机干扰的问题，提出了基于反馈LQG控制和前馈自适应控制的复合控制策略。设计了有效的LQG控制器，在此基础上，构建了相应的复合控制器，对ACLD板的振动控制进行了仿真研究，对比分析了控制器参数对单一/复合控制器性能的影响，结果表明：复合控制器振动控制效果更好，具有更快的收敛速度，更好的鲁棒性和稳定性。⑤基于AC

8、LD技术的封闭腔体振动噪声控制初步研究。将汽车乘客室抽象为简单封闭腔体，基于Helmholtz边界方程推导了弹性壁板振动时腔体内场点的声压计算公式。对CLD片体的位置进行了优化，讨论了降噪效果与材料用量的关系，结果表明：存在CLD的最优布局，可以兼顾减振降噪效果与材料用量。进一步，采用声压频率响应实验验证了优化结果的可靠性。以AC