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。     

一种基于两级判别逻辑的小型化冲击区域监测系统

对复合材料结构的冲击事件进行机载在线监测具有迫切的应用需求。面向机载研制了一种基于两级判别逻辑的小型化冲击区域监测系统。首先,提出了一种基于两级判别逻辑的冲击区域定位算法,能够在大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)中实现基于冲击数字序列的冲击事件在线记录,并提高了冲击区域定位的准确性。其次,研制了小型化冲击区域监测系统,采用无源滤波器和比较器,将压电传感器输出的冲击响应信号直接转换为冲击数字序列,采用FPGA替代数字电路并实现冲击监测,简化了常规冲击监测系统的电路,降低了系统的尺寸和功耗。系统具有体积小、重量轻、功耗低以及支持传感器数目多的特点。验证结果表明:该系统能够正确响应每次冲击事件并能准确定位冲击发生的区域。     

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。     

一种单矢量风洞天平校准系统设计

介绍了一种单矢量六自由度风洞天平校准系统的设计。采用砝码匀速运动过程中碰撞卸载的方法,实现对压电天平的瞬时加载;通过控制天平姿态以及砝码在加载头上的挂点位置实现单矢量加载;并采用多元校准方法对天平信号进行处理,满足超高速风洞测力试验对六分量压电天平校准的需求。校准系统主要由天平姿态调整机构、砝码加载机构、碰撞卸载机构以及控制系统、测量系统等部分组成。系统构造简单、系统误差源少,具有校准效率高,校准精度高等优点。     

压电风扇激励非定常流动和换热特性数值研究

 利用动网格技术对压电谐振风扇产生的非定常流场进行了数值模拟,以期进一步揭示压电风扇的流场特征和换热特性。研究表明:压电风扇上下两个区域均出现涡流,涡向相反(压电风扇上方为逆时针,下方为顺时针),涡对的尺度、位置和扰动范围随时间呈周期性变化规律;时均速度并非随着与压电风扇自由端距离的增大呈现单调衰减的趋势,而是在距离压电风扇自由端距离为一倍振幅的截面上出现峰值速度最大的速度分布型,该位置正是涡环达到最大型面的瞬间涡核所处位置。涡串发展、运动过程中与周围流体发生干涉融合形成的射流起到了强化换热的效果,换热效果最好的地方不是出现在平衡位置,而是涡对破碎、流体紊流度最强的地方。     

淹没射流湍流场的 TR-PIV 测量及流场结构演变的 POB 分析

利用平面激光诱导荧光流动显示技术（LIF）和二维高速粒子图像测速技术（TR-PIV）对淹没射流和自由面相互作用湍流场进行了细致的测量,并利用本征正交分解方法（POD）对测得的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构并分析其与自由面相互作用特点。射流出口雷诺数 Re ＝5600,淹没深度 H/D ＝4。LIF 实验结果表明：自由液面的存在使得射流在向下游扩散发展中存在向上运动的趋势。时均流场也表明射流上半部分扩散速率更快,在相互作用区域,最大速度位置逐渐向自由液面靠近,类似自由射流的流向湍流度双峰值分布形式随流向距离增大而逐渐消失。POD 分解得到的空间模态表明：射流中有序的相干结构在上游逐渐发展,随后迅速向上发展并与自由液面发生相互作用,在下游,由于自由液面的限制,大尺度结构又开始向下发展。     

整体复合材料结构分层特性研究进展（一）

整体复合材料件越来越多地被用作现代航空航天器的主承力结构,而分层是其最易出现的破坏形式。本文作为整体复合材料结构分层特性研究综述的第一部分,重点介绍界面断裂力学和应力分析方法。论文首先对复合材料失效和分层研究进行了简要的回顾,然后详细介绍了界面断裂力学发展的历史、基本公式和在复合材料分层研究中的应用,并且介绍了几种界面裂纹尖端场的求解方法——J积分、修正的裂纹闭合积分（Modified Crack Closure Integral）和M积分法。其次,对应力分析在复合材料分层研究中的应用进行了简要的回顾。     

非周期压电阻尼对失谐叶盘结构振动局部化抑制机理

将非周期压电阻尼技术引入失谐叶盘结构形成机电耦合系统,推导了机电耦合系统的动力学方程,从理论上分析了非周期压电系统对失谐叶盘结构振动局部化的抑制效果。构造了两种非周期压电系统模型:非周期压电分支模型和非周期压电网络模型。研究结果表明:与双周期压电网络系统相比,按照能量集中的程度不同连接而成的非周期压电系统具有更好的振动局部化抑制效果。在非周期压电网络系统的构造中,电阻不再是关键因素,而主要是通过电路形式改变整个叶盘结构中的能量分配情况,电感作为储能元件在其中至关重要。通过合理设计非周期压电网络电路形式,可以得到比非周期压电分支系统和双周期压电网络系统更好的振动局部化抑制效果。      

基于DFR法的螺栓连接件疲劳性能研究

针对螺栓连接件在服役过程中易产生疲劳损伤的问题,采用有限元模拟、理论分析和试验测试相结合的方法探究试验件厚度以及螺栓连接间隙对构件疲劳性能的影响规律。有限元模拟结果表明,由于构件几何形状的不连续性以及螺栓连接间隙的存在使得连接件中的铝合金板孔边产生较为明显的应力集中现象,在循环载荷作用下易在该处萌生疲劳裂纹导致构件的损伤失效,而施加螺栓预紧力可以通过摩擦传载改善孔边的受力情况。在静力分析的基础上,采用有传载紧固件双剪接头结构细节疲劳额定值（DFR）理论计算方法估算不同类型试验件的DFR值。理论估算结果与通过双点法确定的试验件DFR值基本吻合,相对差异在10%以内,可以验证该理论方法有较好的工程适用性。分析结果表明,试验件的连接间隙会影响螺栓的受载情况,在拉伸过程中先发生接触的螺栓处有较大的应力集中,最终导致连接件的疲劳失效;当试验件的厚度增加,铝合金板所承受的附加弯矩增大,会影响孔边的应力分布,在一定程度上降低试验件的疲劳性能。试验件厚度和连接间隙对试验件疲劳性能的影响可通过应力集中系数来综合体现,试验件DFR值近似随应力集中系数呈线性降低。本工作的研究成果可为螺栓连接件疲劳性能研究提供参考。     

脉冲激光刻蚀作用下冷喷涂沉积过程数值模拟

脉冲激光会烧蚀材料形成表面微纳结构,研究该刻蚀作用下的冷喷涂沉积过程,以提高表面修复质量与效率。首先,结合脉冲激光作用过程与实验观测结果建立了单/多粒子与基板的沉积模型;其次,运用热-结构耦合算法对存在表面微纳结构时的粒子/基板碰撞过程开展数值模拟,研究了脉冲激光刻蚀作用对冷喷涂材料沉积过程的影响;最后,分析了脉冲激光-冷喷涂复合修复过程中材料的沉积机理。结果表明,刻蚀作用形成的微纳结构使得粒子与基板的温度分布更加均匀,形变更加复杂,特别是碰撞中心区域的形变得到显著提升;且粒子碰撞在基板表面微纳结构的波峰处时应变、温升最大,波谷处时最小;脉冲激光-冷喷涂的沉积机理为塑性射流处的机械-物理结合与激光熔化区的冶金焊合。