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。     

形状记忆合金鼓包的挠度控制研究

激波控制鼓包(Shock Control Bump,SCB)是一种被动式的减小激波阻力的方法。针对近年来提到的可变挠度鼓包,提出具有双程记忆效应的形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)鼓包,可以通过控制SMA鼓包的温度改变其挠度,优化SCB的减阻性能。为了达到精确控制挠度的目标,提出了一种基于Preisach理论的温度–挠度迟滞模型。对鼓包进行基于该模型的PID控制,试验结果表明该模型可用于SMA鼓包的挠度控制中,4个目标点的最大相对误差为5.17%,优于无模型的PID控制。     

航天器密封舱加筋壁板碎片撞击监测技术研究

航天器密封结构在轨长期运行期间会受到空间碎片撞击,使密封结构出现不同程度的损伤。如果这些损伤不能被及时检测出来并采取相应措施,可能会带来灾难性的后果。对碎片撞击进行监测可以为航天员采用正确修复方案提供依据。本文利用基于超声导波的结构健康监测技术感知空间碎片对航天器密封结构的撞击。首先,在 Abaqus 有限元仿真软件中,用不同速度的钢球冲击模拟真实的冲击形式。具体分析了超声导波在该壁板结构中的传播特性。用小波变换的方法进行信号处理,据此提取了合适的冲击监测所需的信号频率。其次,设计了一种基于信号互相关分析的冲击成像算法确定撞击位置。比较了不同压电传感器网络定位准确度以及监测效率,选择了一种可靠的组网形式进行监测。最后针对航天器壁板,在实验室环境中验证了该算法的有效性。实验结果表明,该监测系统具有良好的准确性与可靠性。     

快速响应热流/温度传感器制备与试验研究*

针对高超声速飞行器在长时间试验中测量壁面温度和热流的要求,研究快速响应热流/温度传感器的制备工艺,介绍传感器在热流标定、表面温度测试和电弧风洞试验中的测试结果。利用光学显示设备对比研究三种不同的加压银钎焊工艺,结果表明无助焊剂的高纯度银钎焊工艺具有焊缝平整、厚度小、气孔少的优点。热流标定结果表明,水冷条件下传感器的98%响应时间约为0.35s,热沉条件下约为0.33s,在0.42 MW/m2～2.11MW/m2范围内,与标准传感器的偏差不大于6%;表面温度对比测量表明,传感器所测温度与热流具有线性关系,可以反映表面温度对气动加热的影响;电弧风洞试验表明,传感器可以用于长时间热防护试验的热流测量。     

基于声学黑洞的盒式结构全频带振动控制

声学黑洞（ABH）作为一种新型高效的波动控制技术,被广泛应用于梁板结构的振动控制中。传统声学黑洞结构存在局部强度和刚度较弱、特征尺寸较大、有效作用频率较高等问题,限制了声学黑洞技术的进一步应用和推广。针对盒式结构振动控制问题,设计了一种新型的声学黑洞阻尼（ABHD）振子。运用有限元仿真方法研究了附加ABHD振子的盒式结构的动态特性,结果表明附加声学黑洞阻尼振子的盒式结构具有高效的能量聚集和耗散能力。通过对盒式结构上下主梁中间不同位置处振子参数的优化,在不改变原有主结构强度和刚度的前提下,实现了对主梁全频带的减振效果。实验结果表明,传统盒式结构在附加多个ABHD振子后全频带的共振峰均有5~30 dB的削减,且附加振子的质量占系统总质量的7.8 %。     

基于声学黑洞的盒式结构减振分析

正随着航空航天运载工具等工程装备日益向高速、大型、轻质和极端运行环境等方向发展,由此带来的振动噪声问题日趋严重,这已经成为制约我国重大装备性能提升的重要因素之一~([1])。作为航空航天运载装备重要组成部分之一的盒式结构,因其轻质的结构质量和优秀的力学性     

压电陶瓷驱动器的迭代学习逆补偿混合控制

由于压电驱动器具有迟滞、蠕变等非线性特征,在精密定位中存在较大的位移跟踪误差。本文对此提出了一种逆补偿和迭代学习控制算法相结合的控制方法。利用逆补偿器作为前馈,使压电陶瓷驱动器的位移跟踪误差得到一定的补偿,再利用迭代学习控制方法进行反馈,进一步减小压电驱动器的位移跟踪误差。仿真实验结果表明,该方法具有良好的控制效果,能够将驱动器的输出位移误差由37.26%减小到0.51%以内。     

柔性变后掠飞行器非定常气动特性数值研究

为研究柔性变后掠飞行器变形过程中的非定常气动力,对柔性变后掠飞行器进行了非定常数值仿真。首先分析了柔性变后掠飞行器在特定后掠角下的定常气动特性,接着选用三种变后掠周期进行了非定常计算,分析了不同变后掠速度对飞行器气动特性的影响,以及定常与非定常气动特性的差别,并研究了这种差异产生的原因。结果表明:柔性变后掠飞行器通过后掠角的改变可以使实时气动性能达到最优;不同变后掠速度引起的气动力差异不大;定常气动力与非定常气动力最大差异不超过7%,其差异主要是由于机翼上气动力的差异引起;非定常计算的升力、阻力系数大于定常结果,俯仰力矩系数与定常计算值差异不大。非定常气动力的产生机理是由于机翼的附加速度所引起的,与流场迟滞无关。总体上看,攻角小于14°时,小后掠可以取得较大的升力、阻力系数;大于14°攻角,大后掠的升力、阻力系数较大;所有后掠角均在4°攻角处取得最大升阻比且小后掠角的升阻比较大;当升力系数小于1.28时,小后掠角产生较小的阻力系数,超过这一数值,大后掠角的阻力系数较小。     

激光超声技术在复合材料检测中的应用

激光超声检测技术采用脉冲激光照射的手段激励结构中的Lamb波,可以实现远距离、非接触式的Lamb波传播波场数据测量。针对复合材料在航空领域应用中所面临的安全和可靠性能评估问题,南京航空航天大学开展了基于激光超声技术的复合材料检测研究。采用信号处理方法提取了Lamb波传播特征参数,进行了复合材料的损伤成像、刚度参数识别和疲劳特性评估,取得了理论和试验验证上的进展,为航空领域的复合材料无损检测技术提供了新方法。     

航天器密封舱加筋壁板碎片撞击监测技术研究

航天器密封结构在轨长期运行期间会受到空间碎片撞击,使密封结构出现不同程度的损伤。如果这些损伤不能被及时检测出来并采取相应措施,可能会带来灾难性的后果。对碎片撞击进行监测可以为航天员采用正确修复方案提供依据。本文利用基于超声导波的结构健康监测技术感知空间碎片对航天器密封结构的撞击。首先,在 Abaqus 有限元仿真软件中,用不同速度的钢球冲击模拟真实的冲击形式。具体分析了超声导波在该壁板结构中的传播特性。用小波变换的方法进行信号处理,据此提取了合适的冲击监测所需的信号频率。其次,设计了一种基于信号互相关分析的冲击成像算法确定撞击位置。比较了不同压电传感器网络定位准确度以及监测效率,选择了一种可靠的组网形式进行监测。最后针对航天器壁板,在实验室环境中验证了该算法的有效性。实验结果表明,该监测系统具有良好的准确性与可靠性。