海洋工程中基于Spark的FG-CNT增強復合材料板振動控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及材料工程領域，尤其涉及海洋工程，具體是指一種海洋工程中基于 Spark的FG-CNT增強復合材料板振動控制方法。
【背景技術】
[0002] 在海洋工程中，海上風電已成為我國乃至全球大力發展的可再生能源之一，能源 需求的大幅增長使得對風電技術提出了越來越高的要求，特別是風電機組關鍵核心部件之 一的葉片，其制造材料的比重、強度、耐腐蝕度等各種力學及材料性能將直接影響著整個機 組的發電效能；同時在遠洋運輸領域，海運船舶、潛艇、深水作業器件等的制造材料一方面 需要具有比重輕，強度高，耐沖擊等特性，另一方面，由于材料的入水表面極其容易被各種 微生物附著形成大量沉淀、結晶，進而被氧化、腐蝕，最終可增加至30%的燃料消耗，并顯著 縮短船舶等的使用壽命，這些都對海洋工程及運輸中的制造材料提出了極高的要求。被證 實有良好的抑菌性，良好的力學、化學、電學以及熱力學性能的碳納米管（CNT)增強復合材 料，尤其是功能梯度CNT增強復合材料可成為一種理想的海洋工程中的制造材料，在海上 風電機葉片、海運船舶表面等的制造材料方面均有廣闊的應用空間，并可在很大程度上逐 步取代傳統材料。
[0003] 當前，針對功能梯度CNT增強復合材料，在實際工程應用中，功能梯度CNT增強復 合材料板殼在受到激振力作用的情況下，其大幅度及持續振動若得不到相應的抑制，將會 影響結構的整體性能并產生不可逆轉的損壞，最終影響材料的使用壽命，因此對功能梯度 CNT增強復合材料板殼進行振動主動控制顯得尤為重要。在振動控制和優化過程中，需要對 功能梯度CNT復合增強材料反復進行力學性能分析，目前絕大多數研究都采用有限元法對 結構控制中的力學問題進行數值分析。但對于功能梯度CNT增強復合材料的非線性形變、 振形和裂紋擴展等問題，用有限元法求解需要進行網格重構，使得計算復雜度增加且計算 精度受損。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是克服了上述現有技術的缺點，提供了一種改進了功能梯度CNT增 強復合材料板殼的本構關系描述、解決了如何將傳感/作動系統分布到CNT合適的位置以 達到對結構應變進行數值分析的最優位置的海洋工程中基于Spark的FG-CNT增強復合材 料板振動控制方法。
[0005] 為了實現上述目的，本發明的海洋工程中基于Spark的FG-CNT增強復合材料板振 動控制方法具有如下構成：
[0006] 該海洋工程中基于Spark的FG-CNT增強復合材料板振動控制方法，其主要特點 是，所述的方法包括以下步驟：
[0007] (1)數據采集模塊獲取CNT增強復合材料的振動數據，并存儲至Spark云平臺的數 據層；
[0008] (2)所述的Spark云平臺的模型層建立頂LS算法模型、傳感器分布位置模型、最優 解算法模型，并根據上述模型處理存儲于所述的Spark云平臺的數據層的振動數據；
[0009] (3)所述的Spark云平臺的應用層通過所述的Spark云平臺的接口層輸出所述的 傳感器的最優位置。
[0010] 進一步地，所述的步驟（1)具體包括以下步驟：
[0011] (I. 1)所述的數據采集模塊獲取所述的CNT增強復合材料的振動頻率以及振幅；
[0012] (1. 2)所述的數據采集模塊將采集到的振動數據存儲至Spark云平臺的數據層。
[0013] 進一步地，所述的Spark云平臺的模型層建立頂LS算法模型、傳感器分布位置模 型、最優解算法模型，具體包括以下步驟：
[0014] (2. 1)所述的Spark云平臺的模型層在混合準則和Eshelby-Mori-Tanaka連續模 型的基礎上，引入Eshelby等效彈性混合方法和Mori-Tanaka的平均應力概念，建立頂LS 算法模型；
[0015] (2. 2)所述的Spark云平臺的模型層針對傳感器在功能梯度CNT增強復合智能結 構的振動控制，采用離散布置的方法，建立一個傳感器分布位置模型；
[0016] (2. 3)所述的Spark云平臺的模型層建立微粒群算法，結合功能梯度CNT增強復合 材料板殼結構的振動控制方程，建立有效的離散優化方法的數學描述，并進行算法參數分 析及設置，以形成最優解算法模型。
[0017] 更進一步地，所述的步驟（2. 1)具體包括以下步驟：
[0018] (2. I. 1)所述的Spark云平臺的模型層在混合準則和Eshelby-Mori-Tanaka連續 模型的基礎上，引入Eshelby等效彈性混合方法和Mori-Tanaka的平均應力概念，構建功能 梯度CNT增強復合材料板殼結構的本構模型；
[0019] (2. 1. 2)所述的Spark云平臺的模型層基于板殼理論，建立統一的位移方程、位移 與應變的關系、應力與應變的關系，并通過Hamilton原理建立功能梯度CNT增強復合材料 板殼結構在各邊界條件和各板殼理論下的功能梯度CNT增強復合材料板殼結構的振動控 制方程；
[0020] (2. 1. 3)所述的Spark云平臺的模型層根據功能梯度CNT復合增強材料板殼結構 的振動控制模型，建立功能梯度CNT增強復合材料板殼結構的節點的頂LS算法模型，并根 據改進的移動最小二乘法建立逼近函數，進行數值模擬及分析驗證所建立的頂LS算法模 型的有效性；
[0021] (2. 1. 4)通過所建立的頂LS算法模型，分析幾何參數、材料參數、CNT的分布情況 以及邊界條件對功能梯度CNT增強復合材料板殼結構振動的頻率和振幅的影響。
[0022] 更進一步地，所述的步驟（2. 2)具體包括以下步驟：
[0023] (2. 2. 1)采用離散布置的方法，將作動器布置在功能梯度CNT增強復合材料板殼 結構某些特定位置上，構成一個傳感/作動系統；
[0024] (2. 2. 2)在功能梯度CNT增強復合材料板殼結構中，使用傳感器對功能梯度CNT增 強復合材料板殼結構的振動進行監測；
[0025] (2. 2. 3)所述的Spark云平臺的模型層基于結構動力學模型及控制系統的設計原 理確定系統參數、傳感器和作動器的類型與位置以及輸入的激勵信號。
[0026] 再進一步地，所述的步驟（2. 2. 1)具體為：
[0027] 采用離散布置的方法，將由壓電材料制成的作動器布置在功能梯度CNT增強復合 材料板殼結構某些特定位置上，構成一個傳感/作動系統。
[0028] 再進一步地，所述的傳感器為壓電材料制成的傳感器及作動器，所述的步驟 (2. 2. 2)具體為：
[0029] 在功能梯度CNT增強復合材料板殼結構中，使用作動器使功能梯度CNT增強復合 材料板殼結構振動，且使用傳感器對功能梯度CNT增強復合材料板殼結構的振動進行監 測。
[0030] 更進一步地，所述的步驟（2. 3)具體包括以下步驟：
[0031 ] (2. 3. 1)建立微粒群算法，結合功能梯度CNT增強復合材料板殼結構的振動控制 方程，建立有效的離散優化方法的數學描述，并進行算法參數分析及設置；
[0032] (2. 3. 2)在給定的搜索空間內，數次評估每個微粒的適應度，進行傳感/作動系統 優化配置計算，建立微粒群優化算法，根據最小二乘法建立相應演化學習的適應函數；
[0033] (2. 3. 3)針對功能梯度CNT增強復合材料板殼結構，基于傳感/作動系統中傳感器 及作動器的最優布置數量和位置，通過常位移和速度反饋控制算法與壓電效應的耦合，實 現振動控制的最優化，以最優解算法模型。
[0034] 采用了該發明中的海洋工程中基于Spark的FG-CNT增強復合材料板振動控制方 法，實現了頂LS-Ritz無網格算法，改進了對于CNT材料力學分析的數值分析的效率與精確 度，加強了對于移動最小二乘法的理論結合與實際應用。
[0035] 建立傳感器/作動器最優配置的優化算法，并通過壓電反饋控制使其達到最佳減 振效果，得到最優傳感器/作動器的鋪設，為其實際應用提供理論和計算基礎。
[0036] 實現了新型材料測試在Spark云平臺上的計算，極大地加快了數據處理速度與效 率，為云平臺海洋工程領域內的實際應用提供良好的范例。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發明的一實施例中功能梯度CNT增強復合材料板結構的主動控制。
[0038] 圖2為本發明的一實施例中傳感器/作動器系統在功能梯度CNT增強復合材料板 中布置方案圖。
[0039] 圖3為本發明的一實施例中Spark平臺搭建的模塊應用層次示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 為了能夠更清楚地描述本發明的技術內容，下面結合具體實施例來進行進一步的 描述。
[0041] 為了便于本領域技術人員的理解，首先對以下內容進行限定：
[0042] FG-CNT增強復合材料板：功能梯度函數CNT增強復合材料板。
[0043] 混合準則：作為一種加權平均值方法來預測增強復合材料的多種性能。
[0044] Eshelby-Mori-Tanaka連續模型：Eshelby-Mori-Tanaka連續模型是由 Eshelby 的 等效夾雜理論和Mori-Tanaka的平均應力法相結合的模型。Eshelby