形状记忆合金在飞行器结构刚度控制中的应用研究

发布时间：2017-10-17 15:21

  本文关键词：形状记忆合金在飞行器结构刚度控制中的应用研究

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【摘要】：本文以超声速飞行器结构气动热软化现象为背景,研究了基于形状记忆合金的结构刚度控制方法,提出了将SMA条带作为加强筋的舵面结构。以梁结构为研究对象,利用形状记忆合金的特性,将其布置在梁结构上,给出梁结构刚度控制的数学模型。以Ni-Ti形状记忆合金为计算对象,根据计算结果得出:梁结构的刚度控制效果与形状记忆合金的厚度有关,同时也与其弹性模量的比值有关。这为形状记忆合金在飞行器结构刚度控制中的应用提供了理论依据。根据传统舵面模型,设计了基于形状记忆合金的变刚度舵面结构,通过有限元仿真分析结构刚度控制效果,并研究温度、气动载荷以及材料的选取对结构刚度控制效果的影响。以控制效果最大化为目标,利用遗传算法对结构尺寸进行优化。对舵面结构加强筋的布局方式进行优化,通过模态实验验证结构刚度控制效果。结果表明,在高温环境下利用SMA奥氏体相的弹性模量高于马氏体相这一特性可以实现对结构刚度的被动控制。结构控制后的一阶固有频率与控制前相比增幅可达10%。此外,研究了结构刚度随环境温度升高的变化趋势。考虑到在环境温度作用下,SMA不一定能完全相变,搭建了结构刚度主动控制系统。实验发现,利用大电容的瞬时放电驱动SMA,使其完全相变,响应时间可达15 ms。结构刚度随着环境温度的增加先是逐渐减小,而后慢慢变大,最后再慢慢减小,其在SMA奥氏体相变结束温度处的刚度最大。
【关键词】：热软化 形状记忆合金条带 刚度控制 固有频率 快速响应
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V214
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-11
• 注释表11-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 引言13-14
• 1.2 智能材料与结构14-21
• 1.2.1 形状记忆合金材料的特性14-16
• 1.2.2 形状记忆合金在控制中的应用16-21
• 1.3 本文的主要内容21-23
• 第二章 形状记忆合金的性能测试方法及刚度控制数学模型23-35
• 2.1 形状记忆合金材料的性能测试方法23-27
• 2.1.1 相变温度和潜热能测试方法23-24
• 2.1.2 比热容测试方法24-25
• 2.1.3 基本力学参数测量方法25-27
• 2.2 形状记忆合金的相变机理27-29
• 2.3 形状记忆合金的刚度控制数学模型29-33
• 2.3.1 热弯矩29-30
• 2.3.2 梁的振动方程30-33
• 2.3.3 计算分析33
• 2.4 本章小结33-35
• 第三章 刚度控制作动器设计与结构仿真优化研究35-52
• 3.1 控制原理35-36
• 3.2 建模仿真分析36-40
• 3.2.1 模型设计36-37
• 3.2.2 仿真结果分析37
• 3.2.3 模型尺寸优化分析37-40
• 3.3 气动载荷对模型刚度控制的影响40-46
• 3.3.1 Fluent仿真计算结果40-43
• 3.3.2 气动载荷对结构刚度的影响43-44
• 3.3.3 总结44
• 3.3.4 温度载荷对结构刚度控制效果的影响44-46
• 3.4 材料的选取对模型刚度控制效果的影响46-49
• 3.4.1 边框选用钛合金，蒙皮选用铝合金的情况46-47
• 3.4.2 边框选用铝合金，蒙皮选用钛合金的情况47
• 3.4.3 边框和蒙皮都选用铝合金的情况47-48
• 3.4.4 总结48-49
• 3.5 加强筋布局方式优化49-50
• 3.5.1 优化参数49
• 3.5.2 优化结果及分析49-50
• 3.6 本章小结50-52
• 第四章 形状记忆合金对结构刚度控制效果实验验证研究52-60
• 4.1 舵面样机搭建52-56
• 4.1.1 实验模型52-54
• 4.1.2 材料性能测试54-55
• 4.1.3 测试系统的搭建55-56
• 4.2 结果与分析56-59
• 4.2.1 刚度控制效果分析56-58
• 4.2.2 温度对模型一阶固有频率的影响58-59
• 4.3 本章小结59-60
• 第五章 形状记忆合金快速响应系统设计60-69
• 5.1 驱动电路系统设计60-65
• 5.1.1 理论计算60-62
• 5.1.2 电路设计与响应时间62-63
• 5.1.3 实验系统的搭建63-65
• 5.2 实验结果与分析65-67
• 5.3 本章小结67-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 全文总结69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文76

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本文编号：1049570