压电纤维复合材料驱动的机翼动态形状控制

利用压电材料实现柔性机翼的主动形状控制,能够有效提高机翼结构效率和气动性能;要实现连续、光滑的高精确形状控制效果,机翼变形过程必须满足一定的动态要求。本文利用在上下翼面反对称铺设的新型压电纤维复合材料——宏纤维复合材料(MFC)提供驱动力矩,研究了机翼扭转变形的前馈轨迹跟踪控制。首先建立了机翼结构有限元模型和气动力载荷模型,采用载荷比拟法得到MFC作动器的控制载荷向量,给出了气动弹性控制方程及其状态空间表达形式。为跟踪预设的变形参考轨迹,以跟踪误差的时域积分为目标函数,对MFC作动器的电压加载历程进行了优化设计。结果表明,采用规划后的电压加载历程,机翼气动弹性响应很好地跟踪了预期参考轨迹,实现了连续、光滑的动态形状控制效果,提高了控制精度。     

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。     

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。     

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。     

热颤振地面模拟试验技术

地面颤振模拟试验是一项以真实飞行器结构作为试验对象，并利用激振器模拟非定常气动力的颤振验证试验技术。本文通过在地面颤振模拟试验的基础上引入热环境模拟设备，进一步研究热颤振地面模拟试验技术。建立了综合考虑多工况的气动插值点优化方法，然后利用Kriging代理模型构建了适用于时变温度场中结构的非定常气动力降阶模型，同时设计了气动加热环境地面模拟及热环境下结构的激励与响应测试方案，最终基于钛合金机翼模型搭建了热颤振地面模拟试验系统，并对时变颤振边界进行跟踪测试。试验结果表明，在激振力控制器的设计控制频带内试验结果与仿真结果吻合较好，但鲁棒控制器较窄的控制带宽限制了热颤振地面模拟试验的适用范围。     

大型空间可展开天线结构的主动振动控制

利用内置压电元件的主动构件作为作动器,对大型空间可展开天线结构进行了振动主动控制的研究。分析了含压电单元的空间天线结构的振动主动控制的原理和方法,采用独立模态控制法对可展开天线结构实施主动控制。并且基于作动器的模态影响矩阵对作动器进行了优化布置,使其效能达到最大。最后采用LQR方法对结构进行控制,应用Matlab软件对该压电结构进行仿真实验控制。仿真的结果表明,通过振动主动控制明显增加了可展开天线结构的结构阻尼,取得了十分有效的振动抑制效果。     

采用压电叠层作动器的弹性梁振动主动控制实验研究

结构响应主动控制系统中常用的惯性作动器由于附加质量大、工作频带窄和响应速度慢等缺点,降低了控制系统的性能。压电作动器具有质量轻、工作频带宽和响应速度快等优点,作为高效执行元件能有效地提高控制系统的性能。本文采用压电叠层作动器驱动自由-自由弹性梁模型,以观测点的加速度响应为控制目标,采用频域谐波稳态控制策略进行了自由梁结构谐波振动响应主动控制实验研究。实验结果表明,本文建立的采用压电叠层作动器的结构响应主动控制系统能有效地控制弹性梁结构的振动水平,并具有快速跟踪外激励变化的自适应控制能力。     

采用压电叠层作动器的弹性梁振动主动控制实验研究简

 结构响应主动控制系统中常用的惯性作动器由于附加质量大、工作频带窄和响应速度慢等缺点,降低了控制系统的性能。压电作动器具有质量轻、工作频带宽和响应速度快等优点,作为高效执行元件能有效地提高控制系统的性能。本文采用压电叠层作动器驱动自由-自由弹性梁模型,以观测点的加速度响应为控制目标,采用频域谐波稳态控制策略进行了自由梁结构谐波振动响应主动控制实验研究。实验结果表明,本文建立的采用压电叠层作动器的结构响应主动控制系统能有效地控制弹性梁结构的振动水平,并具有快速跟踪外激励变化的自适应控制能力。     

飞机结构振动主动控制应用技术

阐述了以压电材料作为感受器与作动器进行真实飞机结构振动主动控制的一些应用技术，利用这些技术进行了真实飞机座舱结构的主动振动控制地面试验研究，取得了很好的控制效果。     

新型等离子体激励器的数值模拟

为了对新型多电极对等离子体激励器进行可靠的数值模拟,通过求解带有体积力源项的Navier—Stokes方程,模拟单电极对等离子体激励器在二维不可压流中对周围流场的影响,计算结果表明所使用唯象模型的参数基本正确。在此基础上,改进原有模型,对新型双极性等离子体激励器诱导流动进行计算。通过与实验结果的对比,发现改进后的模型能较好地模拟新型双极性等离子体激励器的控制作用,可为今后新型等离子体激励器的应用提供可靠的数值模拟方法。     

一种新型颤振激励系统的特性研究

在非结构网格的基础上，以欧拉方程为流场的主控方程，采用格心格式空间离散的有限体积法和四步Runge—Kutta显式时间推进的方法．对一种新型颤振激励系统的流场进行了数值研究。研究了该系统的工作原理和激励力特性。研究结果表明，该系统能很好地激励飞机结构。     

直升机操纵杆振动特性测量与分析

基于直升机铰链力矩的研究成果,建立了倾斜器操纵杆载荷的计算模型.在参考常规飞机测试元件的基础上,研制了具有足够强度和灵敏度的测力元件,通过地面试验解决了测量精度与飞行安全之间的矛盾,成功地进行了飞行试验, 并获得操纵杆载荷这一重要参数.本文计算结果与试验数据基本一致,激振力的频率与主旋翼的1倍和2倍频率接近.可以满足工程计算要求,为直升机操纵系统的设计和检验提供依据.      

Experimental investigation on dynamic response of flat blades with underplatform dampers

One test rig with three blades and two Under-Platform Dampers (UPDs) is established to better understand the dynamical behavior of blades with UPDs. A pre-loaded spring is used to simulate the centrifugal load acting on the damper, thereby achieving continuous adjustment of the pressing load. UPDs with different forms, sizes and materials are carefully designed as experimental control groups. Noncontact measurement via a laser Doppler velocimeter is employed and contact excitation which is performed by an electromagnetic exciter is adopted to directly obtain the magnitude of the excitation load by a force sensor mounted on the excitation rod. Particular attention is paid to the influence of the contact status of the contact surfaces, e.g. the pressure-sensitive paper is used to measure the effective contact area of the UPDs. The experimental variables are selected as the centrifugal force, the amplitude of the excitation force, the damper mass, the effective contact area, and the damper material. The Frequency Response Function (FRF) of the blade under different experimental parameters is obtained by slow frequency sweep under sinusoidal excitation to study the influence of each parameter on the dynamic characteristics of the blade and the mechanism analysis is carried out combined with the experimental results.     

翼型尾缘低频大功率合成射流的动态载荷特性研究——A：实验方案设计

为了获得翼型在尾缘合成射流作用下的气动特性,针对NACA0015翼型,设计了适用于风洞研究的尾缘合成射流实验,设计内容包括实验模型的设计,低频大功率合成射流致动器的设计,以及测量方案的设计。该实验方案在伺服电机达到适当转速时,合成射流器能够达到较好的吹／吸气效果。通过调节地面气缸的行程和电机的工作频率,可以实现对喷口速度、频率等参数的调节,为研究合成射流动量系数和减缩频率对气动力和力矩的影响规律提供了便利。针对二元实验段,采用自行设计的二分量应变天平测量动态升力和力矩。该实验模型在二元风洞中顺利开展了相关实验研究。研究结果显示,当合成射流频率为3Hz时,升力系数的幅值约为0．16。因此,尾缘低频大功率合成射流可以使翼型获得较大的用于控制气动弹性的控制力。这种新型作动方式为未来飞行器气动弹性稳定性控制提供了一种新途径。     

基于OpenFOAM的水陆两栖飞机水面高速滑行研究

在开源软件OpenFOAM的两相流动态解算器中添加了激励盘，数值研究了考虑动力影响的大型四发涡桨水陆两栖飞机在水面高速滑行时的典型力学特性。针对水陆两栖飞机的特殊性，全面考虑了飞机高速滑行时的水动力、气动力、地面效应以及螺旋桨的动力影响，较为真实地模拟了飞行器水上起飞的瞬时状态。首先，在interDyMFoam中添加了激励盘模型，以体积力的形式将螺旋桨旋转产生的动量注入流场，用以模拟飞机起飞时大拉力情况下滑流的动力学影响，较螺旋桨非定常模拟方法大幅减少了计算量。其次，对Wigley船体标模和螺旋桨单桨模型分别进行了考核，验证了OpenFOAM的水动力计算能力并确认了新加入的动态激励盘方法的可靠性。最后，利用建立的方法研究了水陆两栖飞机水面单断阶滑行过程中的气动力和水动力特性并给出了滑流和动力的影响规律。     

副翼刚度模拟器优化设计与分析

副翼刚度模拟器是对副翼作动器的支撑刚度进行参数模拟的装置,是航空地面载荷试验中的关键器件,研究副翼刚度模拟器的刚度随位置的变化规律有利于其设计和应用,具有重要的工程价值。建立力学模型,提出刚度折减系数,探讨刚度模拟器的刚度特性;进行模拟器刚度仿真,并通过刚度测试试验验证力学模型和仿真的正确性;以目标刚度对距离的敏感性对...     

Multiphysics simulation method of Lamb wavepropagation with piezoelectric transducers under load condition

Lamb Wave(LW) simulation under time-varying conditions is an effective and low cost way to study the problem of the low reliability of the structural health monitoring methods based on the LW and Piezoelectric Transducer(PT). In this paper, a multiphysics simulation method of the LW propagation with the PTs under load condition is proposed. With this method, two key mechanisms of the load influence on the LW propagation are considered and coupled with each other. The first mechanism is the acoustoelastic effect which is the main reason of the LW velocity change. The second key mechanism is the load influence on piezoelectric materials, which results in a change of the amplitude. Based on the computational platform of the COMSOL Multiphysics, a multiphysics simulation model of the LW propagation with the PTs under load condition is established. The simulation model includes two physical phenomena. The first one is called solid mechanics, which is used to simulate the acoustoelastic effect being combined with the hyperelastic material properties of the structure in which the LW propagates. The second one is called electromechanical coupling, which considers the simulation of the piezoelectric effect of the PTs for the LW excitation and sensing. To simulate the load influence on piezoelectric materials, a non-linear numerical model of the relationship between the load and the piezoelectric coefficient d31 is established based on an experiment of the load influence on the LW. The simulation results under uniaxial tensile load condition are obtained and are compared with the data obtained from the experiment. It shows that the variations of the phase velocity and amplitude of the LW obtained from the simulation model match the experimental results well.     

锆钛酸铅压电陶瓷主动元件在航天自适应桁架结构中的应用

阐明了PZT压电材料的正、逆压电效应以及相应的压电作动器的机电耦合原理。针对航天自适应桁架结构的特点，运用PZT压电作动器进行了振动抑制实验并取得了良好的效果。