Gust load alleviation wind tunnel tests of a large-aspect-ratio flexible wing with piezoelectric control

An active control technique utilizing piezoelectric actuators to alleviate gust-response loads of a large-aspect-ratio flexible wing is investigated. Piezoelectric materials have been exten-sively used for active vibration control of engineering structures. In this paper, piezoelectric mate-rials further attempt to suppress the vibration of the aeroelastic wing caused by gust. The motion equation of the flexible wing with piezoelectric patches is obtained by Hamilton's principle with the modal approach, and then numerical gust responses are analyzed, based on which a gust load alle-viation (GLA) control system is proposed. The gust load alleviation system employs classic propor tional-integral-derivative (PID) controllers which treat piezoelectric patches as control actuators and acceleration as the feedback signal. By a numerical method, the control mechanism that piezo-electric actuators can be used to alleviate gust-response loads is also analyzed qualitatively. Further-more, through low-speed wind tunnel tests, the effectiveness of the gust load alleviation active control technology is validated. The test results agree well with the numerical results. Test results show that at a certain frequency range, the control scheme can effectively alleviate the z and x wing-tip accelerations and the root bending moment of the wing to a certain extent. The control system gives satisfying gust load alleviation efficacy with the reduction rate being generally over 20%.     

Multi-layered plate finite element models with node-dependent kinematics for smart structures with piezoelectric components

This article presents a type of plate Finite Element (FE) models with adaptive mathematical refinement capabilities for modeling laminated smart structures with piezoelectric layers or distributed patches. The p-version shape functions are used in combination with the higher-order Layer-Wise (LW) kinematics adopting hierarchical Legendre polynomials. Node-Dependent Kinematics (NDK) is employed to implement local LW models in the regions with piezoelectric components and simulate the global substrate structure with the Equivalent Single-Layer (ESL) approach. Through the proposed NDK FE models, the electro-mechanical behavior of smart structures can be predicted with high fidelity and numerical efficiency, and various patch configurations can be conveniently modeled through one set of mesh grids. Moreover, the effectiveness and efficiency of the NDK FE approach are assessed through numerical examples and its application is demonstrated.     

Comparison of computational and experimental results in vibroacoustic active control using piezoelectric film technology

The present investigation concerns control of far-field acoustic radiation generated by a thin plate in a broad frequency band using piezoelectric films. System dynamics is of modal nature.This paper describes a comparison of numerical and experimental results for a closed loop type control. This comes from Optimal Control Theory via radiation filter causal transformation based on a dissipative criterion.     

Research on vibration suppression of a mistuned blisk by a piezoelectric network

The work aims to provide a further investigation of the dynamic characteristics of an integral bladed disk(also called ‘blisk') with a Parallel Piezoelectric Network(PPN). The PPN is constructed by parallelly interconnecting the piezoelectric patches distributed in the blisk. Two kinds of PPN are considered, namely mono-periodic PPN and bi-periodic PPN. The former has a piezoelectric patch in each sector, and the later has one patch every few sectors. The vibration suppression performance of both kinds of PPN has been studied through modal analysis, forced response analysis, and statistical analysis. The research results turn out that the PPN will only affect mechanical frequencies near the electrical frequency clusters slightly, and the bi-periodic PPN will make the nodal diameter spectrum of the modes more complex, but the amplitude corresponding to the new nodal diameter component is much smaller than that of the nodal diameter component corresponding to the mono-periodic system. The mechanical coupling between the blades and the disk plays an important role in the damping effect of the PPN, and it should be paid attention to in applications. The mono-periodic PPN can effectively suppress the amplitude magnification of the forced response induced by the mistuning of the blisk; meanwhile, it can mitigate the vibration localization of the mistuned electromechanical system. If piezoelectric patches are set only in part of the sectors, the bi-periodic PPN still has a vibration suppression ability, but the effect is related to the number and spatial distribution of the piezoelectric patches.     

低控制电压的杂交阻尼

提出一种用多层压电片和约束阻尼层在低控制电压下进行结构振动的杂交阻尼控制方式。基于各种材料的本构关系,导出了多层压电片作用在梁结构上的力和所施加的电压以及结构的运动之间的耦合关系和系统的控制微分方程。讨论了多层压电片附加位置的优化。仿真计算表明,这种杂交阻尼控制方式有着良好的振动抑制效果和较低的控制电压。     

Detection of propagation directions of plane waves in the low and medium frequency ranges for purely propagating stationary fields

The present paper describes a method for locally detecting the propagation directions of plane waves in purely propagating stationary fields. This method is applied to an experimental plate in the low and medium frequency ranges.This method is of interest not only for Nondestructive Control by detecting local anomalies of a field but also for Active Control thanks to a recognition of a local vibration field likely to guide dimensions and locations of piezoelectric sensors and actuators.     

平板压电除冰系统中压电元件排布规律研究

针对压电振动除冰方法在工程上的可用性,以平面铝板为研究对象,采用有限元模型和结构动力学分析的方法,对平板压电除冰系统中压电元件的排布规律进行了研究。以平板长度方向上的截面为研究对象,用有限元分析方法研究了二维压电耦合模型的模态振型,选取了长度方向上三阶模态振型为最佳除冰模态振型,并以此振型为后续三维模型的基础振型。针对压电元件数量、压电元件相对贴片数量和压电元件贴片集中度这三个不同的排布参数,利用三维压电耦合有限元模型,以冰层与平板交界面处的弹性应变作为激励效果的直接体现参数,仿真分析了压电元件在平板宽度方向上的排布规律。仿真结果表明：压电元件在宽度方向上排布在中间位置和边缘位置,对结构均具有较好的激励效果,压电元件的布局要避开宽度方向上弹性应变较小的位置,因此对于分布在平板宽度方向边缘的压电元件,仍然可以在目标结冰区激励出较强的振动效果;在相同的接触面积下,减小压电元件的相对贴片数量,提高压电元件的贴片集中度,均可以提高压电元件对平板的激励效果,因此在实际应用中,在尺寸和粘接结构情况允许的情况下,尽可能选择尺寸较大的压电元件;并且当曲面上压电元件的贴片范围被限制的情况下,适当提升某一方向上压电元件贴片集中度,可以提高对平板结构的激励效果。灵活结合压电元件排布规律,可以设计出可行的压电元件排布方式,为压电除冰系统的工程研究提供借鉴和参考。     

面向结构振动控制的压电作动器优化配置研究

 为了研究压电主动结构振动控制当中作动器的位置优化问题,从系统的状态空间方程出发,在系统可控性Gram矩阵特征值的基础上来描述性能指标,以输入的能量吸收率为优化目标函数,提出了一种新的位置优化配置准则。利用有限元分析(FEA)方法分析作动器的配置,并与遗传算法(GA)结合进行优化计算,计算过程中对作动器的位置采用二进制编码加以描述。通过对一压电简支板结构的仿真计算对该方法进行了验证,并与其他几种不同的配置方法进行对比,从而证明了新方法的优越性。     

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。     

不同压比状态下超声速射流冲击斜板的声场/流场特性

为研究超声速射流冲击斜板的噪声特性及声源特性,针对不同压比下,超声速射流流场及声场分别进行了高频PIV（particle image velocimetry)测量与远场噪声测量。PIV测量结果可观测到激波格栅形成过程以及冲击斜板对它的影响。声场测量结果可捕捉到自由射流与冲击射流中不同的纯音频率随压比增加的转变过程。通过一一对比各纯音模态与流场模态,可区分各纯音模态的声源特性。结果表明:当压比在2.0~3.2之间时,共出现五种纯音模态:A模态纯音频率为剪切层大尺度涡脱落频率,此时流场呈现同轴模态;d模态和e模态中纯音频率主要为冲击纯音频率,且e模态出现时流场转化为螺旋模态,这是一种不稳定模态;当压比大于等于2.53时,纯音模态稳定成单一模态B,B模态纯音频率为啸叫频率,其流场结构转化回同轴模态,啸叫频率对斜板的存在与否不敏感;啸叫频率随着压比的增加逐渐减小,其二次谐频在基频幅值较小的方向上会出现一个强声波辐射。      

表面贴有压电片的桁架结构系统静力可靠性分析(英文)

对表面贴有压电片的主动杆单元组成的桁架结构系统,在考虑电荷载和机械荷载联合作用的机电耦合效应时,利用力学原理,建立了静力分析的有限元模型。同时研究了压电杆元的破坏机理,给出压电杆单元破坏的判断准则。以材料的断裂强度、损伤电场强度、杆元的截面积和外荷载等为随机变量,建立了压电桁架结构单元的安全余量的表达式。并在此基础上,引入随机有限元法和结构系统可靠性理论,对该桁架结构系统进行可靠性分析。最后由算例说明本文方法的有效性。     

平面铝板上的压电振动除冰方法

以平面铝板为对象,对压电振动除冰方法进行了理论与实验研究。使用有限元方法(FEM)分析了压电片(PZT)长度和厚度对所激发结构模态振动强度的影响。建立了冰层的二维受力模型,分析接触面上的切应力分布,为除冰模态的选取提供指导。结果表明,理想情况下当PZT长度约为某模态半波长的奇数倍时,对该模态的激发效果最好,此外压电片长度还受到结构表面应变分布的影响。在满足强度要求的前提下,压电片厚度应尽量小。结构与冰接触面上的最大切应力出现在结冰边缘部位,大小与结构表面的应变有关,在振动节线附近的切应力最小。实验获得了较好的验证结果,除冰功率约为36.5 W/m2,比电热除冰方法的功耗低1~2个量级。     

一种预测平板尾迹噪声的时域无网格方法

基于离散涡方法和涡声理论建立了一种预测二维平板尾迹发声的时域无网格方法。该方法应用解耦方式完成声场计算,首先使用离散涡方法计算了均匀来流作用下的平板尾迹流场,得到了流场中点涡的涡量、位置和速度等关键参数,然后基于涡声理论建立了自由空间中点涡发声模型,并引入了时域边界元方法来模拟平板表面对声场的散射作用,计算得到了平板尾迹涡发声的偶极子声场分布和指向性等关键特征。通过对上下表面涡以及平板散射对声场贡献的深入分析表明,从平板尾缘上下角点脱落并卷起的涡团均为偶极子源,平板的散射作用使得声场在一定程度上得到加强,并且使声场具有极大值方向垂直于平板表面的偶极子指向性特征。所建立的无网格方法计算快速,能同时获得流场和声场分布的关键特征,可提升对气动噪声产生机理的基本认识,同时还为尾迹噪声的理论研究提供了一种具有工程应用价值的可靠计算方法。     

软性多孔材料圆柱降噪特性实验研究

空腔噪声为气动噪声领域中重要的一部分,声衬作为一种有效的降噪措施,其原理为微穿孔板吸声体,即多个亥姆霍兹共鸣器并联,通过激发背腔共振吸收声能。声衬的吸声效果受到多个结构参数的影响,针对低速空腔气动噪声问题,通过微穿孔板吸声体原理对声衬进行多参数混合设计,并将其加装到空腔中,对比加装声衬前后空腔噪声的频谱特性,评估声衬在空腔噪声问题中的降噪效果,分析加装声衬对空腔噪声的自激振荡及声共振产生的影响。     

轴/径向耦合式球转子非接触式压电作动器的研究

本文提出了一种基于逆压电效应的轴/径向耦合式球转子非接触式压电作动器,由轴向悬浮装置及径向悬浮装置组成,且两者均可形成行波,为球转子提供悬浮力和驱动力。由于轴向悬浮装置和径向悬浮装置的工作模式可进行不同组合,使得被诱发出的声场具有不同耦合强度的悬浮和旋转驱动力,进而球转子可获得不同的悬浮和转速效果,易于对球转子进行状态控制。建立了轴向悬浮装置及径向悬浮装置的有限元模型,对定子进行了动力学分析与设计,确定了结构方案,并加工、制造了样机。通过试验得到了定子的振动参数、轴向悬浮装置的悬浮及驱动特性,结果表明轴向悬浮装置可成功的悬浮和驱动球转子。     

声电换能超材料设计与性能

设计了一种将Helmholtz共振效应与压电效应结合的声电换能超材料结构及电路系统,通过传递矩阵法对超材料的能带结构进行了分析.以压电片作为Helmholtz共振器基底通过阵列形成超材料结构.当入射噪声频率与共振频率一致时,声电转换效率最高.利用COMSOL分别对超材料单元及系统进行仿真,验证了超材料单元对于噪声的抑制...     

高温耐辐照声发射传感器

研制了一种新的耐高温抗辐照声发射传感器,并讨论了传感器制作工艺上的特点和优点。在经受400℃和2.4×10~6GYγ辐照的考验后,传感器仍保持性能稳定。     

基于旋转轴向阵列的风扇宽频噪声实验

航空发动机降噪研究迫切需要一种叶轮机械管道内宽频噪声测量方法来指导降噪设计。本文通过对阵列测量的声压信号进行互相关分析,得到管道内顺流和逆流传播的模态声功率结果。安装在风扇实验台进口段的传声器阵列由2排周向间隔180°的轴向阵列组成,每排阵列有14个等间距的传声器。阵列安装在可周向旋转的测量段上,实验中测量段每隔6°旋转一次,共获得840个测点位置的声场信号。结果表明入射波与反射波最大可相差10dB。模态分解结果表明,转静干涉模态是转子通过频率及其谐频处的主导模态。利用不同参考信号计算出的声场结果相同,说明该实验测试方法对参考信号位置没有特殊要求,进一步说明该方法有很好的适用性。     

某航空发动机火焰筒在动载荷下的频率响应分析

在火焰筒中由于燃烧不均匀产生的脉动,会形成一个较宽频率范围的声激振动,受这种振动的影响火焰筒可能在某一个固有频率下激振,如果激振所造成的振动应力足够大,将产生高循环疲劳破坏,最终导致火焰筒局部壁面脱落[1].因此研究发动机火焰筒在动载荷下的频率响应十分必要.利用UG软件建模和ANSYS动载荷分析软件,计算求出某航空发动机火焰筒的前十阶固有频率和振型.对火焰筒在0～1000Hz的激振频率下进行频率响应分析,分析结果对火焰筒设计和排故有一定参考作用.     

基于固体壳单元的功能梯度材料板壳主动控制模拟仿真

基于假定自然应变法和加强假定应变法,推导了一用于压电层合FGM壳静、动态主动控制模拟的固体壳单元,该单元既可用做实体单元,又可模拟薄曲壳结构,在厚跨比非常小的情况下也能获得令人满意的精度.FGM壳的性能沿厚度方向按一定体积分数幂指数分布,并具有温度相关性,通过改变幂指数n,研究了组分材料体积分数对FGM壳力学性能的影响.采用闭环速度反馈控制算法来模拟压电层合FGM壳的静、动态响应的主动控制,算例表明了算法的有效性.