梁-膜结构微压传感器研制

由四个弹性梁和一个刚性中心膜构成的梁-膜结构,具有平面应力集中效应,与一般的结构相比,这种膜片在受到微压时即产生较大的应力集中,使传感器在测量微压时有较高的灵敏度,它的特别的结构能解决一般结构膜片在很薄时由膜应力和弯曲应力产生的严重的非线性.介绍的这种双面腐蚀形成的梁-膜结构的硅压阻式微压传感器的设计就是采用这种应力集中原理,芯片结构的力学特性分析及样件测试结果表明,这种结构的微压传感器具有较高的灵敏度和较低的非线性,成功地实现了对微小压力的测量.利用有限元仿真计算对用于100Pa压力测量的梁-膜结构硅压力传感器的结构参数进行优化,并对芯片版图设计、制作工艺技术和传感器的特性等问题进行了讨论.     

功能梯度形状记忆合金Timoshenko复合梁的热-力学行为（英文）

基于Timoshenko梁理论,详细研究了功能梯度(Functionally graded,FG)形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)复合梁的热-力学行为。考虑SMA纤维体积分数按幂律函数沿梁厚度方向呈连续梯度变化,并给出了相应的等效参数。采用复合材料层合板理论,建立了可直接积分求解的控制微分方程。数值分析了不同边界条件下,FG参数、环境温度和SMA纤维铺设角度对复合梁的热-力学行为的影响。研究结果表明,复合梁的中性面位置与中面位置不重合,且SMA马氏体沿梁厚度方向不均匀分布。FG参数和环境温度的增加均增大了复合梁的刚度,而SMA纤维铺设角度的影响可以忽略不计。本工作为FG SMA结构的设计和应用提供了理论依据。     

铝合金传感器及其在电子衡器中的应用

该文较全面地介绍了近年来我所研制成功的铝合金平行梁,中心梁,中心悬臂梁,中心环,中心剪切梁等称重传感器的结构、特点、受力分析及理论计算。简要地介绍了这些称重传感器在电子衡器中的应用情况。     

智能材料与结构及其在智能飞行器中的应用

为了满足民用和军事领域对智能飞行器日益增长的需求,在承载、连接等功能的基础上,具有自诊断、自适应、自控制、自修复等“智能功能”的智能结构应运而生。这一技术的出现显著地推动了航空领域的发展,如利用形状记忆合金作为驱动器驱动指定结构变形可以改变飞行器气动性能,而利用压电材料作为传感器和驱动器对结构进行健康监测和振动噪声控制是当前智能结构研究的重要方向。以此为背景,介绍了南京航空航天大学智能结构研究团队近十年来在智能结构方面的研究进展,以期为智能结构技术的发展与创新提供可以借鉴的思路。     

压电智能结构的实验研究

在复合材料表层铺设压电元件，利用压电元件能够实现力学量和电学量之间相互转化的独特性能，可将其用作传感器和驱动器，赋予材料和结构传感及动作的能力。本研究的压电材料采用锆钛酸铅压电陶瓷，基体材料采用玻璃纤维－环氧树脂复合材料，与外部信号采集和控制系统结合，构成了智能结构实验系统。本文对这一系统的损伤诊断和损伤主动控制功能进行了实验研究。该结构一方面可对冲击、过载等可能造成损伤的原因进行监测，并诊断裂缝、连接松动等损伤的产生和位置，另一方面还可自适应地驱动结构中的压电驱动器，改善结构应力状态，防止损伤的扩展。     

无任何附加假设的梁的自由振动

本文不采用平面假设来研究梁的弯曲自由振动，也不采用剪切型振动假设研究短粗梁的自由振动，而用弹性力学的位移法导出了梁的自由振动微分方程，并推导了简支梁的自振频率的统一公式，其特殊情况即为有附加假设的自振频率公式。     

SMART STRUCTURES USING PIEZOELEMENTS FOR ACTIVE VIBRATION AND NOISE SUPPRESSION IN AVIATION AND AEROSPACE

具有减振降噪功能的压电智能结构是智能材料与结构的一个重要分支。在航空航天领域存在一些典型结构,如飞机机舱、空间站、卫星太阳能帆板和通讯天线以及直升机旋翼等,其振动与辐射噪声造成很多不利影响。为了研究这些结构的振动与噪声控制方法,制作了几个实验模型如大型薄壁复合材料圆桶、柔性梁、钢架及旋翼系统模型,通过压电传感器、驱动器布置数量和位置的优化,采用不同的控制算法,在基于个人计算机的测控平台上进行了振动控制实验,取得了明显的减振降噪效果。     

Karman型四边夹紧正交异性矩形薄板的中等大挠度

利用Galerkin方法分析了Von-Karman型四边夹紧正交各向异性矩形板。所设的位移函数为梁振型函数，它不仅能精确地满足边界条件，而且具有正交的特性，从而把复杂的非齐次非线性偏微分方程组化为一组非线性代数方程组，通过非线性方程组的线性化和可调节参数的修正迭代解法找出问题的解。实践证明，梁振型函数收敛很快，只须取出级数的前几项即可满足精度要求。最后求出了不同复合材料的挠度和应力值并同已有的结果进行了比较。     

基于脉冲加热法的薄膜热流传感器热物性参数测量技术研究

在激波风洞测热试验中,高精度的薄膜热流传感器热物性参数对于提高热流测量精度十分重要。利用积分球能收集反射光能、其反射光具有高均匀性的特性,提出了基于脉冲加热装置测量薄膜热流传感器表面、直接标定热物性参数的方法。基于该方法,搭建了用于测量薄膜热流传感器基底材料热物性参数的脉冲加热装置,并详细介绍了测量装置的系统组成和工作原理。该脉冲加热装置能够较好地模拟脉冲型风洞中薄膜热流传感器被加热的过程,可以精确标定热流值和薄膜热流传感器基底材料的热物性参数。研究结果表明:研制的脉冲加热测量装置具有操作便捷、试样制备简单和标定精度高等优点,其加热方式为瞬态加热,能较好地模拟传感器在脉冲型风洞中的使用环境,可以提高脉冲风洞中热流测量结果的精度。     

力学测试技术中的一种数字式传感器与机-电耦合振荡理论

随着计算机日益广泛地用于实验控制与数据处理,机械元件与电学元件直接耦合的数字型传感器开始取代传统的阻抗电桥式调幅型传感器,振弦式测力计是其代表之一。本文从数理方程与谐振电路两方面分析其特性;然后把机械元件等效为虚拟变压器次级的负载,与等效的初级(电子元件)耦合形成闭环反馈振荡系统;并分析了温度影响问题。     

双程机电耦合效应对压电层合板机电响应的影响

基于一阶剪切变形理论和压电方程,推导了压电层舍板本构方程,得到一个双程压电-机械耦合的有限元模型,它可以对具有任意分布的表面粘贴式或嵌入式压电传感器和驱动器的复合材料层合板的机电响应进行分析。所得算例的计算结果与文献中的实验结果或ANSYS分析结果非常吻合,也显示了在压电传感器有信号输出时,单程压电-机械耦合的有限元模型所存在的误差。     

ACTIVE VIBRATION CONTROL OF A CANTILEVER BEAM USING PIEZOELECTRIC SENSORS AND ACTUATORS

讨论了利用压电片作为传感器和驱动器对悬臂梁进行主动振动控制问题，针对模态频率差距较大的系统，提出了分组建模和控制的方法。使用滤波器消除观测溢出。文中还讨论了传感器／驱动器配置问题。实验结果验证了所述方法的有效性。     

飞机复合材料气动冲击响应抑制技术研究

由于高频涡流的作用,飞机局部复合材料构件承受面外气动冲击载荷,产生累积疲劳损伤.本文通过在复合材料壁板表面粘贴压电驱动器,采用传感器测量构件在气动冲击下的响应,应用自适应振动前馈原理,控制驱动器的驱动应变,从而抑制其动态响应,达到减小累积疲劳损伤的目的.试验结果表明,主要模态的应变幅值能够得到有效抑制.     

在主减速器斜撑杆上安装压电叠层作动器的直升机主动隔振

采用安装在主减斜撑杆上的压电叠层作动器建立了直升机主动隔振系统。基于压电材料本构关系推导了压电叠层作动器的驱动方程,建立了压电叠层作动器驱动的主减主动隔振系统动力学模型。采用了自适应滤波控制方法,通过最小均方算法实现了自适应控制。直升机主动隔振仿真实验表明了该系统具有高效的隔振效果。     

大柔性压电梁振动主动控制实验研究与数值模拟

采用独立模态控制法对含压电片柔性梁进行了振动主动控制实验研究,实现了压电柔性梁前三阶振动模态的独立控制。由施加控制前、后的系统响应对比分析知,实施主动控制后,柔性结构的模态阻尼得到了很大的改善,振动抑制效果十分显著。同时利用Hamilton原理,推导含压电片柔性梁的动力学微分方程,对压电柔性梁前三阶振动主动控制进行了数值仿真,并将仿真结果与实验结果进行对比分析,两者的吻合性良好。研究结果表明,利用压电陶瓷作为驱动元件,采用独立模态控制法实现柔性结构的振动抑制是一种非常有效的振动主动控制方法,在航空航天等领域中具有广阔的应用前景。     

含压电传感器和驱动器的复合材料中厚板有限元分析

基于变分原理和一阶剪切理论，本建立了一种新的机电耦合矩形有限单元．该单元具有四个节点20个位移自由度．电自由度为单元中的压电铺层层数。通过静态控制方程推得的旋转位移表达式中含有横向位移的三次导数．从而该单元不仅能分析薄板的变形．而且还能分析中厚板在电载荷和外力载荷作用下的变形。然后．根据所建立的有限单元．结合相关方程．编写了有限元分析程序并对一些算例进行了数值模拟．通过将所得结果与有关献的结果进行对比．验证了本单元的有效性。最后对压电非均衡复合材料在电载荷作用下的变形进行了分析。结果表明．当复合材料中正的铺层角和对应的负铺层角的厚度比改变时。在相同电载荷作用下对结构的变形有较大的影响。     

多片压电双晶片并联驱动器的设计

针对微型无人机在受到外界干扰时通过自适应控制来实现飞行的稳定性设计了一种多片压电双晶片并联驱动的新型驱动器.用功率放大器和频谱分析仪分别对驱动器的在空载和带栽情况下的静态特性和动态特性进 行了测试,分析比较了在不同负载下单片压电双晶片和双片压电双晶片组成的驱动器的驱动能力,测得了双片 压电双晶片并联驱动器的输出位移和驱动电压之问的传递函数.实验结果表明:该驱动器不仅可以实现位移放 大,而且可以通过多片压电双晶片并联补偿驱动器的输出力,为设计新型压电双晶片驱动器提供了新的思路,同 时为压电双晶片驱动器的自适应控制提供了参考.     

翼型曲面的压电振动除冰方法研究

以缩比后的翼型前缘曲面为研究对象,对压电振动除冰的方法进行了理论和实验研究。针对翼型曲面的特殊性,以有限元模型导出的翼型截面离散点为基础,设计了针对翼型曲面和不同压电元件尺寸下的压电元件可贴区域的求解算法,并通过五点共圆法和四点共圆法的理论思想得出翼型曲面各点切法向矢量的求解算法。针对翼型曲面研究了压电元件的布局规律。结果表明,翼型曲面结构下,压电元件的激励效果随着间距的增大而减弱,压电元件布置在振型波峰位置附近有最佳的激励效果。在粘贴接触面积一定的前提下,激励效果随着相对贴片数量的增加而减弱,而压电元件的贴片集中度越高,激励效果越好。实验得到了较好的除冰效果,验证了布局方式的可行性,同时除冰功率最大为69.77W·m-2,低于电热除冰系统所需功耗。     

压电固体作动筒及其在结构中的应用

建立了大位移压电固体作动筒（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｔｒａｉｎ ａｃｔｕａｔｏｒ, ＰＺＴ ＩＳＡ）的动力学模型。探讨了压电固体作动筒在结构应用中的力学驱动模型,研究了压电作动筒和结构之间的驱动传递关系,以及在结构应用中获得最大输出位移和最大作用力的匹配关系;研究了利用压电作动筒驱动直升机伺服襟翼的一种初步构想以及机械放大机构,用于替代现有的液压装置,对旋翼进行主动减震降噪。同时在不同的频率及负载下,对压电作动筒的驱动性能进行了实验,并作了讨论。结论表明：利用压电作动筒作为直升机伺服襟翼控制的驱动器件,可以实现对伺服襟翼的主动变形及振动控制。