Rainbow型压电单膜片换能结构负载电压和输出功率分析

给出了一种多方向振动能量收集装置的设计结构.为研究Rainbow型压电单膜片换能结构材料、尺寸参数、负载电阻对其输出功率的影响,根据压电材料的机电耦合方程和弹性力学理论,建立了Rainbow型压电单膜片换能结构负载电压及输出功率的理论模型.对所建理论模型进行了数值计算和验证测试,理论计算结果及测试结果具有较好的一致性,...     

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...     

单级感应线圈炮能量转换效率研究

在单级感应线圈炮的发射过程中,随着电容器组放电电压、电容量以及电枢初始位置的变化,弹丸出口速度和系统能量转换效率也将随之发生变化.为获得其中的规律,建立了单级感应线圈炮的数学模型,仿真分析了电容器组放电电压、电容量以及电枢初始位置对弹丸出口速度及系统能量转换效率的影响.分析结果表明,随着放电电压增加弹丸出口速度几乎呈直...     

格栅反射器型面的主动控制

为了提高天线反射器的型面精度,以锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）驱动的主控格栅反射器为研究对象,对该结构的力学建模方法和形状控制方法进行了研究。首先,建立了格栅反射器、PZT压电作动器一体化有限元模型。然后,采用影响系数矩阵法,以均方根误差最小为目标建立反射器型面主动控制优化模型,并通过最小二乘法求解作动器的最优控制律。最后,搭建了格栅反射器主动控制实验系统,以旋转抛物面为目标型面进行实验研究。实验结果表明,经主动控制后反射器型面精度提高了将近50%,且与仿真结果吻合较好,验证了一体化有限元建模方法的准确性和控制方法的有效性。     

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。     

用铬天青S分光光度法测定铍青铜中的铍

论述了利用铬天青S与铍在pH9．7的酸度条件下所形成的二元络合物来测定铍青铜中铍的方法。确定了方法条件及共存离子的影响，λmax为490nm，铍含量在0μg／mL～1．0μg/mL范围内，络合物吸光度严格呈二次曲线，铍含量0．5μg／mL时表观摩尔吸光系数ε为3．8×10^4L·mol^-1·cm^-1，回收率为98．4％～100．9％。     

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。     

脉冲爆震燃气膨胀过程及能量转换难易度评价方法

为了提高脉冲爆震燃气的能量转换效率,分析了脉冲爆震燃气在涡轮内的膨胀过程,建立了评价爆震燃气能量转换难易度计算方法,并基于脉冲爆震燃烧室与轴流涡轮匹配工作数值模型,采用涡轮效率对燃气能量转换难易度计算方法进行了验证,结果表明: ①爆震波膨胀过程,爆震燃气在涡轮静叶内会产生热壅塞现象,并往上游形成前传压缩波; ②涡轮内爆震燃气的膨胀主要分一次膨胀、过度膨胀和二次膨胀三个阶段,爆震燃气在涡轮内的焓降主要发生在一次膨胀和二次膨胀阶段,在过度膨胀阶段,燃气在涡轮内做负功; ③当量比为0.72、0.89和1.00三种计算工况的燃气能量转换难易度分别为0.396、1.000和0.803,对应的涡轮效率分别为0.473 6、0.597 2和0.570 3,验证了燃气能量转换难易度计算方法的准确性。      

柔性杆系统压电扭转致动器/传感器优化配置研究

 针对空间柔性杆系统的扭转振动问题,提出了一类由柔性杆、电阻应变片传感器、压电扭转致动器组成的柔性杆系统。为了研究此系统的扭转振动,运用拉格朗日方程和假设模态法建立了系统的动力学方程。针对柔性杆系统中压电扭转致动器、传感器的优化配置问题,提出一种基于最小输入能量、最大能量传递、Grammian矩阵最小奇异值最大化的复合优化策略,采用遗传算法对致动器/传感器的位置进行了搜索,找到了最优位置位于柔性杆的根部。进行了数值分析研究,结果表明,与其他位置相比,最优位置最有利于致动器实施控制,同时也最有利于传感器的观测。     

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。     

Tandem solar cells with 31% (AM0) and 37% (AM1.5D) energyconversion efficiencies

The authors demonstrate that the efficiency of GaAs satellite solar cells can be increased to 31% (AM0) with two straightforward modifications. First, the wire grid reflection losses on the GaAs cell can be eliminated by attaching and aligning a thin grooved cover slide. The grooves in this cover slide deflect the incident light rays away from the wire grid lines into the cell active area, increasing the efficiency from 22% to 24%. The second modification involves making the GaAs cell transparent to the infrared energy that normally is wasted and then placing an infrared sensitive GaSb booster cell behind the GaAs cell. This increases the AM0 solar energy conversion efficiency from 24% to 31%. The GaAs/GaSb tandem solar cells have conversion efficiencies of 37% if used for terrestrial (AM1.5) rather than space (AM0) solar electric power systems, high enough that utility-scale solar electric power may someday be economical     

Investigation on low total temperature combustion characteristics of kerosene-fueled supersonic combustor

In this paper, the combustion characteristics of kerosene-fueled supersonic combustor under the conditions of Mach number 2.0, the total temperature at 700 K and the total pressure at 520 k Pa(simulated flight Mach number at 3.5) were studied by using the flame stabilizing method of cavity and strut from three aspects such as blockage ratios, kerosene equivalence ratios, location and quantity of injection holes. The results showed that:(A) The combustor with the strut realized the independent an...     

管中激光加速器的推力形成过程

管中激光加速器是一种新型的激光推力器,弹射体在管道中被加速。利用光线追踪法,根据光线在网格中的传播路径信息,运用辐射输运方程,得到流场的能量源项;数值求解含能量源项的流体控制方程,对管道中等离子体流场激波的形成和演化过程进行了研究。模型能够模拟空气光学击穿、空气对激光能量的吸收、等离子体对激光的屏蔽作用和推力形成过程,通过计算得到冲量耦合系数为3.61×10-4N/MW,等离子体内能转化为流场动能的比例约为9%。     

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.     

A novel in-plane mode rotary ultrasonic motor

Ultrasonic motors have the merits of high ratio of torque to volume, high positioning precision, intrinsic holding torque, etc., compared to the conventional electromagnetic motors. There have been several potential applications for this type of motor in aerospace exploration, but bearings and bonding mechanism of the piezoelectric ring in the motors limit the performance of them in the space operation conditions. It is known that the Langevin type transducer has excel- lent energy efficiency and reliability. Hence using the Langevin type transducer in ultrasonic motors may improve the reliability of piezoelectric motors for space applications. In this study, a novel in-plane mode rotary ultrasonic motor is designed, fabricated, and characterized. The proposed motor operates in in-plane vibration mode which is excited by four Langevin-type bending vibra- tors separately placed around a ring-shaped stator. Two tapered rotors are assembled to the inner ring of the stator and clamped together by a screw nut. In order to make the motor more stable and convenient to fix, a thin cylindrical support is placed under the stator ring. Due to its no-bearing structure and Langevin transducer excitation, the prototype ultrasonic motor may operate well in aeronautic and astronautic environments.     

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。     

基于分析法的RBCC引射模态能量利用规律

为实现RBCC(火箭基组合循环)节约燃料的目的,基于分析法,研究了引射模态下发动机典型部件和系统能量利用与转化的规律。结果表明:引射火箭在RBCC发动机主体部件中损失最大,效率最低(48%~62%);发动机效率随来流马赫数的增加而不断增大,当来流马赫数小于2.5时,增长速度缓慢;当来流马赫数大于2.5时,增长速度加快;作为一种能量经济性指标,突破了以往基于热力学第一定律的发动机性能分析的局限性,通过单一参数将进气道、引射火箭和混合室等独立部件耦合起来,可全面评价组合循环发动机能量综合利用的性能,指导发动机设计和能量优化工作。     

升浮一体飞行器总体参数设计方法

临近空间飞行器近年来得到了广泛的关注和研究。为克服传统飞艇和太阳能飞机尺寸大、抗风能力差的缺点,本文提出了一种升浮一体飞行器概念方案,并对其总体参数设计方法进行研究。以能量平衡分析为核心,建立了太阳能电池系统、燃料电池系统、推进系统等子系统的数学模型,给出了适合于该飞行器的总体参数设计方法,并对总体设计参数进行了研究。结果表明,升浮一体飞行器相对于传统飞艇,体积下降了53%,长度下降了22%,起飞重量下降了4%。相对于固定翼太阳能飞机,翼展下降了52%,机翼面积减小了56%,起飞重量下降了3.5%。该类飞行器总体参数对飞行速度非常敏感,飞行速度从30 m/s提高至40 m/s时,起飞重量增加约1倍,艇体体积增大77%。提高太阳能电池、燃料电池和螺旋桨效率可有效降低起飞重量,且升浮一体飞行器比传统飞艇对上述参数更敏感。     

双压电振子异步振动主动调制湍流边界层流向涡减阻

以热线敏感丝为感受器、单片机(MCU)为控制器、双压电振子为动作器构成闭环控制回路,实现闭环主动控制湍流边界层相干结构减阻。采用安装在壁面上的展向布置的双压电振子异步振动方式,通过对压电振子输入3种不同振动频率,得到160 Hz工况实现最大减阻率为16.03%。压电振子振动使得湍动能更大程度地集中在能量峰值周围,改变了湍流边界层近壁区的含能结构,对相干结构产生调制作用。压电振子振动频率与相干结构特征频率越接近,减阻效果越好。闭环控制中控制压电振子所需要的电能节省开环的75%,实现与开环控制相近的减阻效果。施加控制加入条件检测的条件相位平均波形时间周期略变短,以压电振子壁面扰动方式调制近壁流向涡,减小壁面摩擦阻力,获得减阻效果。      

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。