压电纤维复合材料铺层用于翼面设计的驱动特性与刚度影响

压电纤维复合材料驱动器在形状控制、振动控制、颤振抑制与抖振控制等方面有广泛的应用前景。首先简单介绍了压电应变驱动的比拟载荷方法,并采用该方法讨论了压电陶瓷片状驱动器与压电纤维复合材料驱动器在驱动特性上的主要差异。在此基础上,对压电纤维复合材料在不同铺设方式、铺设角度与铺设层数下的驱动特性进行了分析,在刚度影响方面展示了不同铺设角度下模型刚轴的移动。分析结果表明:对称铺设反向电场可以同时获得弯曲与扭转变形,而反对称铺设同向电场主要获得扭转变形;两种铺设方式下45°铺设角均获得最大弦向转角,而0°铺设角将获得最大挠度;多铺层可以增加驱动载荷,但总体变形效果还取决于结构系统的刚度比例;对称铺设方式下铺设角对结构刚轴移动的影响非常明显,在气动弹性控制中应着重关注。     

新型压电激励器作用力模拟技术研究

研究轻型结构、直升机旋翼结构和复合材料结构等的颤振飞行试验激励问题具有重要意义。提出以弯矩模拟压电粗纤维复合材料(MFC)激励器的作用力,从而解决MFC仿真建模问题。首先借助机翼有限元模型,建立带有压电激励器的机翼结构动力学仿真模型;然后以压电激励器地面激励试验结果为基础,通过修正仿真模型中压电作用弯矩的大小,实现仿真试验结果与地面试验结果的拟合,最终得出非线性压电激励器作用力;最后通过另一组地面试验数据验证了该作用力的大小,并将该作用力模拟技术应用于不同试验中。本文的研究结果可为后续以该激励器作为激励作动器或控制作动器的试验提供有益参考。     

垂尾抖振主动控制的压电作动器布局优化

为了提高压电作动器垂尾抖振主动控制系统的控制性能,提出一种基于输出可控性的压电作动器优化准则。使用压电驱动载荷等效方法建立压电纤维复合材料（MFC）压电作动器力学模型,并建立了带MFC压电作动器垂尾结构模型的动力学方程。在模态可控性和模态价值理论的基础上,提出考虑剩余模态影响的压电作动器优化目标函数。针对垂尾结构的前5阶模态使用遗传算法优化得到压电作动器的布局方案,使用线性二次高斯（LQG）最优控制方法控制垂尾的抖振响应。仿真结果表明,本文优化得到的布局方案比用其他方法能更好地均衡系统的模态可控性,减小剩余模态的影响,获得更好的垂尾抖振响应控制。     

基于多个MFC 激励器的复合材料宽弦风扇叶片模态测试

为了研究复合材料风扇叶片响应特性,利用压电纤维复合材料（Macro Fiber Composite,MFC）激励器对复合材料宽弦风 扇叶片进行模态测试。将测试结果与有限元仿真值进行比较,分析风扇叶片不同MFC 单独激励和组合激励下的响应特性。设计了 MFC 激励器激励系统,采用MFC 单独激励和组合激励的方法,实现快速正弦扫频激励信号激励,借助扫描式激光测振仪测量叶片上 关注测点的振动响应。结果表明：MFC 激励下风扇叶片的响应与MFC 覆盖位置处对应的MFC 纤维极化方向的应变大小、MFC 纤维方 向和测点选择有关;不同位置的MFC 激励叶片,叶片各阶模态响应有差异。该结果可用于宽弦风扇叶片的MFC 激励器/ 传感器控制 方法的进一步研发和风扇叶片的振动特性分析。     

压电智能反射面静态形状控制与作动器位置优化

为了提高反射面的精度,建立了压电智能反射面的形状控制模型,对该结构的力学建模方法、形状控制方法和作动器优化配置算法进行了研究。首先,将蜂窝夹层结构的压电智能反射面等效为多层复合板,根据虚功原理推导了结构的有限元方程。然后,根据建立的有限元方程,推导了反射面变形的均方根误差与作动器控制电压的关系式,以均方根误差最小为优化目标,建立了形状控制优化模型,将作动器控制电压的优化转化为约束优化问题的求解。最后,采用模拟退火算法对压电作动器进行了优化配置。为了验证形状控制的可行性及优化算法的有效性,以300mm口径的平面压电智能反射面为例进行仿真,分析结果表明,通过压电作动器的控制,可以使反射面的重力变形误差减小97%以上,对于给定数目的作动器,通过模拟退火算法优化,可使其布置在最佳的位置。     

压电致动器扑翼结构动力学仿真

采用传统扑动机构的微型扑翼,气动效率低、扑动能耗大。采用压电致动器的微型扑翼通过压电材料进行致动使机翼产生上下扑动,有效地将扑动机构和机翼两个主要系统进行集成,不仅节省重量,同时它具有任务变形自适应能力强、气动效率高和扑动能耗小的特点。通过PCL语言建立采用压电致动器的扑翼有限元模型,结合同尺寸扑翼气动力试验数据,进行采用压电致动器扑翼结构仿真。利用仿真结果研制采用压电致动器扑翼原理样机,研究表明,采用压电致动器后扑翼扑动频率得到明显提高,压电片可有效控制机翼的弯扭变形,有助于提高扑翼的气动效率。     

压电驱动器的气动弹性应用

 随着压电智能材料与结构的发展,压电驱动器在气动弹性控制领域占据重要地位。使用压电驱动器控制翼面变形,利用而不是抵抗气动弹性效应可以控制升力、力矩以及它们的分布。采用基本相同的智能结构翼面控制系统,根据不同的控制目标需求,使用压电智能材料驱动器可以达到多种目的,包括静态的形状控制与动态的颤振抑制、抖振控制与阵风响应控制。静态控制方面例如改变翼面形状获得附加空气动力以增加升力、提供横滚力矩、改变升力分布以减小诱导阻力或减小翼根弯矩等;动态控制例如利用改变翼面形状产生的附加空气动力作为控制载荷,改变气动弹性系统的耦合程度,根据控制效果要求可作为气动阻尼、气动刚度或气动质量。这种控制方法可以减轻结构重量,提高操纵效率,扩大飞行包线,提高材料利用率,已成为可变形飞行器的重要研究内容。本文主要阐述压电驱动器气动弹性应用的动机与机理、发展与成就以及问题与展望。     

连续纤维增强金属基复合材料涡轮轴结构承扭特性分析

为实现对该类复合材料部件结构完整性的设计分析,以连续纤维增强复合材料轴结构为研究对象,对比分析4种细观力学模型计算连续纤维增强金属基复合材料的力学性能参数;在此基础上,采用RVE(代表体积元)有限元模型计算的复合材料力学性能参数作为输入,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学分析模型.计算与对比分析不同材料方案下纤维增强金属基复合材料轴结构在扭转载荷作用下的变形量及承扭能力,当纤维体积分数一定时,方案4的变形量最小,方案2的临界屈曲转矩最大.      

大展弦比复合材料机翼结构建模与气动弹性分析

建立了具有任意截面形状的大展弦比复合材料翼的结构模型。研究了机翼的两种铺设方式：即周向均匀刚度配置（CUS）和周向反对称刚度配置（CAS）。对于复合箱梁情形,目前的结构建模方法正确性通过ANSYS有限单元软件得到了验证。为了研究具有NACA0012翼型的大展弦比复合材料机翼的气动弹性问题,利用线性ONERA空气动力模型来描述小攻角情形下的非定常空气动力载荷。最后,利用U—g法预示了机翼在各种复合层铺设角度下的颤振速度。     

压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性自适应混合补偿控制方法

压电陶瓷叠层作动器的迟滞蠕变非线性特性严重影响了控制系统的稳定性及动态跟踪精度。针对其迟滞蠕变非线性补偿控制问题,提出了一种高精度动态补偿压电陶瓷叠层作动器非线性特性的自适应混合补偿控制方法,即迟滞蠕变前馈补偿与自适应滤波反馈补偿结合的前馈-反馈混合控制方法。采用改进的Prandtl-Ishlinskii（Modified Prandtl-Ishlinskii,MPI）模型对压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性特性进行精细化建模,并得到其逆补偿模型进行前馈补偿。根据前馈补偿误差,采用自适应滤波反馈控制对输入信号进行实时调控,实现对压电陶瓷叠层作动器的迟滞非线性及lg（t）型蠕变特性的实时精确补偿控制。数值仿真与实验结果表明,相比于常规前馈迟滞蠕变补偿,所提出的自适应混合补偿控制方法可以有效降低压电陶瓷叠层作动器的迟滞补偿误差,极大提高了迟滞蠕变非线性动态跟踪精度以及自适应性。     

翼梢装置对某机翼气动弹性行为影响研究

以大客某方案机翼为基本翼,通过数值模拟的方法研究了翼梢装置对机翼气动弹性特性影响,包括静气动弹性及颤振特性。其中通过CFD/CSD弱耦合求解的方法研究其静气动弹性响应,气动力计算采用面元法,结构响应计算采用结构有限元法,通过插值实现翼面气动力与有限元节点力之间的传递,以及有限元模型与气动网格之间的变形传递。对基本翼及带翼梢装置机翼静力学有限元模型局部修改得到动力学模型,应用MSC NASTRAN进行颤振特性分析。研究发现翼梢装置使得机翼的气动弹性特性不同程度均有降低,而不同翼梢装置对其影响又有所不同,可见,翼梢装置的设计在追求气动特性改善的同时必须关注其带来的结构特性的损失。     

Unsteady aerodynamics and flow control for flapping wing flyers

The creation of micro air vehicles (MAVs) of the same general sizes and weight as natural fliers has spawned renewed interest in flapping wing flight. With a wingspan of approximately 15 cm and a flight speed of a few meters per second, MAVs experience the same low Reynolds number (10⁴–10⁵) flight conditions as their biological counterparts. In this flow regime, rigid fixed wings drop dramatically in aerodynamic performance while flexible flapping wings gain efficacy and are the preferred propulsion method for small natural fliers. Researchers have long realized that steady-state aerodynamics does not properly capture the physical phenomena or forces present in flapping flight at this scale. Hence, unsteady flow mechanisms must dominate this regime. Furthermore, due to the low flight speeds, any disturbance such as gusts or wind will dramatically change the aerodynamic conditions around the MAV. In response, a suitable feedback control system and actuation technology must be developed so that the wing can maintain its aerodynamic efficiency in this extremely dynamic situation; one where the unsteady separated flow field and wing structure are tightly coupled and interact nonlinearly. For instance, birds and bats control their flexible wings with muscle tissue to successfully deal with rapid changes in the flow environment. Drawing from their example, perhaps MAVs can use lightweight actuators in conjunction with adaptive feedback control to shape the wing and achieve active flow control. This article first reviews the scaling laws and unsteady flow regime constraining both biological and man-made fliers. Then a summary of vortex dominated unsteady aerodynamics follows. Next, aeroelastic coupling and its effect on lift and thrust are discussed. Afterwards, flow control strategies found in nature and devised by man to deal with separated flows are examined. Recent work is also presented in using microelectromechanical systems (MEMS) actuators and angular speed variation to achieve active flow control for MAVs. Finally, an explanation for aerodynamic gains seen in flexible versus rigid membrane wings, derived from an unsteady three-dimensional computational fluid dynamics model with an integrated distributed control algorithm, is presented.     

大攻角机翼的气动弹性计算方法

 本文利用大攻角带分离流机翼的完全非定常非线性气动力计算方法,通过与机翼运动方程的同时求解,在时间域内实现了大攻角机翼非线性气动弹性的数值模拟,根据弹性机翼各种状态下的运动过程,可以得到大攻角机翼的颤振速度等重要参数以及亚临界、超临界等飞行状态的运动规律。算例结果表明,大攻角下机翼的气动弹性问题需引起足够的重视。     

机翼大迎角涡破裂时气动特性计算方法的研究

本文计算了小展弦比机翼纵向和横侧气动特性,并计及涡破裂的影响。本方法以Purvis升力面理论和Polhamus吸力比拟为基础。并参照Lan方法进行大迎角特性修正。算例表明,本方法适用于小展弦比机翼气动特性的计算。     

基于非线性试验气动力的飞机静气动弹性响应分析

分别使用线性和非线性静气动弹性分析方法,对某飞机纵向静气动弹性响应特性随飞行动压、攻角、平尾偏度和纵向过载变化的趋势进行了分析,并将分析结果和飞行试验进行了比较。线性方法的气动力计算使用亚音速偶极子格网法。非线性方法由风洞试验提供刚体气动力,并使用线性气动力影响系数矩阵对其进行弹性化处理。通过对两种方法的计算结果进行对比分析可以看出:①使用刚体试验气动力的非线性分析方法能够获得和飞行试验比较一致的结果;②在线性方法所提供的结果中,翼面的弯曲变形及剪力、弯矩和扭矩等部分参数能为初步设计提供大致参考,但气动力系数的弹性增量、翼面的扭转变形、翼面的剪力、弯矩和扭矩的弹性部分可能不能为型号设计提供正确的指导;③不论刚体气动力为线性还是非线性,气动力系数随动压变化的趋势均呈线性。     

考虑机翼几何非线性的气动弹性建模与分析

大展弦比柔性机翼结构重量轻、气动效率高,广泛应用于高空长航时无人机(UAVs)。飞行过程中,这类机翼在气动力作用下发生大变形,线性结构模型不再适用,需要建立考虑几何大变形的结构模型。采用牛顿力学方法推导了考虑结构几何非线性的机翼结构动力学模型,该方法推导过程简洁、物理意义明确,可以与Hodges基于哈密顿原理的推导方法相互补充,相互验证。为了能够更准确地求解大展弦比柔性机翼的非定常气动力,建立了能够考虑机翼三维效应且适用于机翼空间大变形的非定常气动力模型。基于建立的非线性结构模型和非定常气动力模型,采用松耦合方法建立了非线性气动弹性模型,并通过算例验证了气弹模型的准确性。研究结果表明,大展弦比柔性机翼颤振速度对来流迎角和机翼的展长均较为敏感;当来流速度大于颤振速度时,由于几何非线性,机翼振动并未发散而是形成稳定的极限环振荡(LCO);随着来流速度进一步增加,机翼再次穿过临界稳定点,由不稳定系统变为稳定系统,直到随着速度的增加系统再次达到临界稳定状态。