本发明专利技术涉及一种海洋工程中基于Spark的FG‑CNT增强复合材料板振动控制方法，采用最新的无网格方法IMLS‑Ritz，通过几个互不相关的节点上的值，拟合出一个光滑性好且导数连续的形函数，同时改进了功能梯度CNT增强复合材料板壳的本构关系描述，解决了如何将传感器/作动器分布到CNT合适的位置以达到对结构应变进行数值分析的最优位置，利用离散优化算法来搜索作动器配置位置的最优解，针对海量的计算数据，搭建了基于Spark的云计算平台。采用该种海洋工程中基于Spark的FG‑CNT增强复合材料板振动控制方法，解决了有限元法中解不收敛或误差较大的问题，大幅度提高了数据的存储量和计算量并缩短了计算时间，增强分析效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料工程领域，尤其涉及海洋工程，具体是指一种海洋工程中基于 Spark的FG-CNT增强复合材料板振动控制方法。
技术介绍
在海洋工程中，海上风电已成为我国乃至全球大力发展的可再生能源之一，能源 需求的大幅增长使得对风电技术提出了越来越高的要求，特别是风电机组关键核心部件之 一的叶片，其制造材料的比重、强度、耐腐蚀度等各种力学及材料性能将直接影响着整个机 组的发电效能；同时在远洋运输领域，海运船舶、潜艇、深水作业器件等的制造材料一方面 需要具有比重轻，强度高，耐冲击等特性，另一方面，由于材料的入水表面极其容易被各种 微生物附着形成大量沉淀、结晶，进而被氧化、腐蚀，最终可增加至30%的燃料消耗，并显著 缩短船舶等的使用寿命，这些都对海洋工程及运输中的制造材料提出了极高的要求。被证 实有良好的抑菌性，良好的力学、化学、电学以及热力学性能的碳纳米管（CNT)增强复合材 料，尤其是功能梯度CNT增强复合材料可成为一种理想的海洋工程中的制造材料，在海上 风电机叶片、海运船舶表面等的制造材料方面均有广阔的应用空间，并可在很大程度上逐 步取代传统材料。 当前，针对功能梯度CNT增强复合材料，在实际工程应用中，功能梯度CNT增强复 合材料板壳在受到激振力作用的情况下，其大幅度及持续振动若得不到相应的抑制，将会 影响结构的整体性能并产生不可逆转的损坏，最终影响材料的使用寿命，因此对功能梯度 CNT增强复合材料板壳进行振动主动控制显得尤为重要。在振动控制和优化过程中，需要对 功能梯度CNT复合增强材料反复进行力学性能分析，目前绝大多数研究都采用有限元法对 结构控制中的力学问题进行数值分析。但对于功能梯度CNT增强复合材料的非线性形变、 振形和裂纹扩展等问题，用有限元法求解需要进行网格重构，使得计算复杂度增加且计算 精度受损。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种改进了功能梯度CNT增 强复合材料板壳的本构关系描述、解决了如何将传感/作动系统分布到CNT合适的位置以 达到对结构应变进行数值分析的最优位置的海洋工程中基于Spark的FG-CNT增强复合材 料板振动控制方法。 为了实现上述目的，本专利技术的海洋工程中基于Spark的FG-CNT增强复合材料板振 动控制方法具有如下构成： 该，其主要特点 是，所述的方法包括以下步骤： (1)数据采集模块获取CNT增强复合材料的振动数据，并存储至Spark云平台的数 据层； (2)所述的Spark云平台的模型层建立頂LS算法模型、传感器分布位置模型、最优 解算法模型，并根据上述模型处理存储于所述的Spark云平台的数据层的振动数据； (3)所述的Spark云平台的应用层通过所述的Spark云平台的接口层输出所述的 传感器的最优位置。 进一步地，所述的步骤（1)具体包括以下步骤： (I. 1)所述的数据采集模块获取所述的CNT增强复合材料的振动频率以及振幅； (1. 2)所述的数据采集模块将采集到的振动数据存储至Spark云平台的数据层。 进一步地，所述的Spark云平台的模型层建立頂LS算法模型、传感器分布位置模 型、最优解算法模型，具体包括以下步骤： (2. 1)所述的Spark云平台的模型层在混合准则和Eshelby-Mori-Tanaka连续模 型的基础上，引入Eshelby等效弹性混合方法和Mori-Tanaka的平均应力概念，建立頂LS 算法模型； (2. 2)所述的Spark云平台的模型层针对传感器在功能梯度CNT增强复合智能结 构的振动控制，采用离散布置的方法，建立一个传感器分布位置模型； (2. 3)所述的Spark云平台的模型层建立微粒群算法，结合功能梯度CNT增强复合 材料板壳结构的振动控制方程，建立有效的离散优化方法的数学描述，并进行算法参数分 析及设置，以形成最优解算法模型。 更进一步地，所述的步骤（2. 1)具体包括以下步骤： (2. I. 1)所述的Spark云平台的模型层在混合准则和Eshelby-Mori-Tanaka连续 模型的基础上，引入Eshelby等效弹性混合方法和Mori-Tanaka的平均应力概念，构建功能 梯度CNT增强复合材料板壳结构的本构模型； (2. 1. 2)所述的Spark云平台的模型层基于板壳理论，建立统一的位移方程、位移 与应变的关系、应力与应变的关系，并通过Hamilton原理建立功能梯度CNT增强复合材料 板壳结构在各边界条件和各板壳理论下的功能梯度CNT增强复合材料板壳结构的振动控 制方程； (2. 1. 3)所述的Spark云平台的模型层根据功能梯度CNT复合增强材料板壳结构 的振动控制模型，建立功能梯度CNT增强复合材料板壳结构的节点的頂LS算法模型，并根 据改进的移动最小二乘法建立逼近函数，进行数值模拟及分析验证所建立的頂LS算法模 型的有效性； (2. 1. 4)通过所建立的頂LS算法模型，分析几何参数、材料参数、CNT的分布情况 以及边界条件对功能梯度CNT增强复合材料板壳结构振动的频率和振幅的影响。 更进一步地，所述的步骤（2. 2)具体包括以下步骤： (2. 2. 1)采用离散布置的方法，将作动器布置在功能梯度CNT增强复合材料板壳 结构某些特定位置上，构成一个传感/作动系统； (2. 2. 2)在功能梯度CNT增强复合材料板壳结构中，使用传感器对功能梯度CNT增 强复合材料板壳结构的振动进行监测； (2. 2. 3)所述的Spark云平台的模型层基于结构动力学模型及控制系统的设计原 理确定系统参数、传感器和作动器的类型与位置以及输入的激励信号。 再进一步地，所述的步骤（2. 2. 1)具体为： 采用离散布置的方法，将由压电材料制成的作动器布置在功能梯度CNT增强复合 材料板壳结构某些特定位置上，构成一个传感/作动系统。 再进一步地，所述的传感器为压电材料制成的传感器及作动器，所述的步骤 (2. 2. 2)具体为： 在功能梯度CNT增强复合材料板壳结构中，使用作动器使功能梯度CNT增强复合 材料板壳结构振动，且使用传感器对功能梯度CNT增强复合材料板壳结构的振动进行监 测。 更进一步地，所述的步骤（2. 3)具体包括以下步骤： (2. 3. 1)建立微粒群算法，结合功能梯度CNT增强复合材料板壳结构的振动控制 方程，建立有效的离散优化方法的数学描述，并进行算法参数分析及设置； (2. 3. 2)在给定的搜索空间内，数次评估每个微粒的适应度，进行传感/作动系统 优化配置计算，建立微粒群优化算法，根据最小二乘法建立相应演化学习的适应函数； (2. 3. 3)针对功能梯度CNT增强复合材料板壳结构，基于传感/作动系统中传感器 及作动器的最优布置数量和位置，通过常位移和速度反馈控制算法与压电效应的耦合，实 现振动控制的最优化，以最优解算法模型。 采用了该专利技术中的海洋工程中基于Spark的FG-CNT增强复合材料板振动控制方 法，实现了頂LS-Ritz无网格算法，改进了对于CNT材料力学分析的数值分析的效率与精确 度，加强了对于移动最小二乘法的理论结合与实际应用。 建立传感器/作动器最优配置的优化算法，并通过压电反馈控制使其达到最佳减 振效果，得到最本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种海洋工程中基于Spark的FG‑CNT增强复合材料板振动控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：(1)数据采集模块获取CNT增强复合材料的振动数据，并存储至Spark云平台的数据层；(2)所述的Spark云平台的模型层建立IMLS算法模型、传感器分布位置模型、最优解算法模型，并根据上述模型处理存储于所述的Spark云平台的数据层的振动数据；(3)所述的Spark云平台的应用层通过所述的Spark云平台的接口层输出所述的传感器的最优位置。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄冬梅，张律文，张宇，黄盖先，万鑫纯，
申请(专利权)人：上海海洋大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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