面向结构型面控制的压电纤维驱动器与驱动器布局协同优化设计
发布时间：2021-07-23 07:40
能够根据工作环境改变飞机翼面形状的自适应变形能力是未来航空、航天飞行器结构设计追求的重要目标。压电纤维复合驱动器（Macro Fiber Composite, MFC）以其质量轻、适应性好、响应速度快、高驱动应变能密度等优点得到了广泛的应用。如何在低成本下,提高飞机翼面的变形控制精度与稳定性已成为一个重要的研究课题。本文以机翼型面控制为研究背景,研究了压电纤维复合驱动器内部结构几何参数对驱动器性能的影响；以实际驱动型面与理想型面的均方差最小为优化目标,建立了面向型面控制需求的驱动器布局和驱动器控制参数优化设计模型；研制了由压电纤维复合驱动器驱动的类机翼试件,实验结果充分验证了本文所提出的面向结构型面控制的驱动器布局和控制参数协同优化设计模型的有效性和可行性。本论文具体研究工作如下：（1）建立压电纤维复合驱动器的结构设计与分析模型。以压电纤维复合驱动器的电极宽度、电极指间距、压电纤维厚度、压电纤维体积分数为优化对象,以驱动器驱动应变最大为优化目标,建立了影响驱动器驱动性能的结构参数协同优化设计模型。仿真结果表明：由于均匀电场与不均匀电场的存在,驱动器的电极宽度有一个驱动应变极值点,电极指...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２压电鞋塾??Ｆｉｇ．?１．２?Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｉｎｓｏｌｅ??
压电纤维复合驱动器在驱动性能、柔朝性、靠疲劳性、可靠性等方面与压电陶瓷??相比取得了长足的进步，另外，采用压电纤维复合驱动器来实现机翼翼面的形状控制??可以大大减轻飞行器的重量，简化飞行器的布局［６０］＿［６１］，其性能的提高与商业化的发展??为压电纤维驱动器在航空航天领域的应用奠定了坚实的基础。由于压电纤维复合材料??质量轻、适应性好、操作性能好、结构坚固、高驱动应变能密度等优点，美国??ＮＡＳＡ、ＤＡＲＰＡ、欧洲航天局等相继投入巨资展开了以多功能飞行器应用为背景的变??形驱动及相关技术的研究工作［６２］［６３］。目前，在航空航天领域，压电纤维复合材料主要??应用在机翼翼尖、直升机叶片、机翼翼面与襟翼、拍打式机翼、可扭转机翼等变形控??制中。Ｐａｒｋ和Ｋｉｍ釆用压电纤维复合材料驱动直升机叶片的扭转运动，比较了圆形和??方形压电纤维复合材料的驱动性能，证明方形的压电纤维复合驱动器在驱动性能与可??控性方面更具优势［１６］。国内冷劲松等［６４］建立了压电纤维复合材料奖叶的非线性动力学??模型，研究了压电纤维铺层对复合材料桨叶固有频率和奖叶扭转运动阻尼特性的影??响。Ｑｕａｎ?Ｎｇｕｙｅｎ、Ｑｕａｎｔｉａｎ?Ｌｕｏ等［６５］＿釆用线性最小二乘法及逐步完善的驱动器结构??优化算法对板壳单元的弯曲、扭转等常规变形进行了理论研究，提出了压电纤维复合??材料在驱动电压控制下可有效地控制结构的型面。美国弗吉尼亚理工大学设计了利用??
综合文献调研发现，目前的研究主要集中于利用压电纤维驱动器来实现机翼变形??能，而对于翼面变形控制精度改善方面的研究较少，尤其是复杂型面的变形控制精??问题。因此，需要综合分析驱动器的结构形式与布局方式等参数对驱动性能的影??，研究考虑多参数的翼面变形控制精度优化设计方案，根据机翼理想型面给出最优??动器驱动位置与控制参数。本文的研究具有重要的应用价值，更是变体飞行器翼面．??状控制研究的重要课题。??．４本文主要工作和内容??翼面变形控制精度是影响可变体飞行器复杂环境适应能力的关键因素，利用压电??维复合材料的驱动性能，本文提出了压电纤维复合驱功器内部参数的分析与优化设??方法，并给出了驱动性能与控制电压的关系。研宄了在特定结构参数驱动器驱动情??下，机翼翼面的弯曲、扭转、弯扭变形控制，合理优化驱动器的布局与控制参数，??型面精度满足一定的控制要求，具体工作包括：??（１）压电纤维复合驱动器的结构几何参数优化设计。基于压电纤维本构方程和有??
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电复合材料研究现状[J]. 杜斌,张铭霞,李伶,王重海,周长灵,刘福田. 现代技术陶瓷. 2013(06)
[2]智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望[J]. 冷劲松,孙健,刘彦菊. 航空学报. 2014(01)
[3]压电纤维复合材料的发展、模拟及应用(英文)[J]. 林秀娟,周科朝,张晓泳,张斗. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013(01)
[4]碳纳米管在智能材料中的研究进展[J]. 李儒,李红波,李清文. 材料导报. 2013(01)
[5]变体平尾翼型气动外形设计方法[J]. 杜厦,昂海松. 南京航空航天大学学报. 2012(06)
[6]基于有限元法压电纤维复合物结构的模拟优化[J]. 林秀娟,张斗,张晓泳,李志友,周科朝. 中国有色金属学报. 2012(06)
[7]压电振动发电机的研究现状与发展趋势[J]. 朱莉娅,陈仁文,雷娴. 中国机械工程. 2011(24)
[8]Application of piezoelectric fiber composite actuator to aircraft wing for aerodynamic performance improvement[J]. LI Min 1 ,YUAN JunXian 1 ,GUAN De 1 &CHEN WeiMin 2* 1School of Aeronautics Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China; 2Key Laboratory of Environmental Mechanics,Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China. Science China Technological Sciences. 2011(02)
[9]压电效应及其在材料方面的应用[J]. 阎瑾瑜. 数字技术与应用. 2011(01)
[10]考虑复合材料蒙皮稳定性的飞机翼面结构布局优化设计[J]. 刘颖卓,张永存,刘书田,王向明. 航空学报. 2010(10)
博士论文
[1]层合压电智能结构振动主动控制数值模拟及其优化[D]. 钱锋.合肥工业大学 2011
硕士论文
[1]印制电子用挤压式压电喷头的墨滴喷射仿真研究[D]. 朱纯.华东理工大学 2012
[2]压电复合材料性能参数预测[D]. 黄鑫.兰州理工大学 2010
[3]超声电机用BNT基无铅压电陶瓷的研究[D]. 段志杰.南京航空航天大学 2008
[4]基于压电陶瓷的精密定位技术研究及实现[D]. 方元坤.国防科学技术大学 2005
本文编号：3298878
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２压电鞋塾??Ｆｉｇ．?１．２?Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｉｎｓｏｌｅ??
压电纤维复合驱动器在驱动性能、柔朝性、靠疲劳性、可靠性等方面与压电陶瓷??相比取得了长足的进步，另外，采用压电纤维复合驱动器来实现机翼翼面的形状控制??可以大大减轻飞行器的重量，简化飞行器的布局［６０］＿［６１］，其性能的提高与商业化的发展??为压电纤维驱动器在航空航天领域的应用奠定了坚实的基础。由于压电纤维复合材料??质量轻、适应性好、操作性能好、结构坚固、高驱动应变能密度等优点，美国??ＮＡＳＡ、ＤＡＲＰＡ、欧洲航天局等相继投入巨资展开了以多功能飞行器应用为背景的变??形驱动及相关技术的研究工作［６２］［６３］。目前，在航空航天领域，压电纤维复合材料主要??应用在机翼翼尖、直升机叶片、机翼翼面与襟翼、拍打式机翼、可扭转机翼等变形控??制中。Ｐａｒｋ和Ｋｉｍ釆用压电纤维复合材料驱动直升机叶片的扭转运动，比较了圆形和??方形压电纤维复合材料的驱动性能，证明方形的压电纤维复合驱动器在驱动性能与可??控性方面更具优势［１６］。国内冷劲松等［６４］建立了压电纤维复合材料奖叶的非线性动力学??模型，研究了压电纤维铺层对复合材料桨叶固有频率和奖叶扭转运动阻尼特性的影??响。Ｑｕａｎ?Ｎｇｕｙｅｎ、Ｑｕａｎｔｉａｎ?Ｌｕｏ等［６５］＿釆用线性最小二乘法及逐步完善的驱动器结构??优化算法对板壳单元的弯曲、扭转等常规变形进行了理论研究，提出了压电纤维复合??材料在驱动电压控制下可有效地控制结构的型面。美国弗吉尼亚理工大学设计了利用??
综合文献调研发现，目前的研究主要集中于利用压电纤维驱动器来实现机翼变形??能，而对于翼面变形控制精度改善方面的研究较少，尤其是复杂型面的变形控制精??问题。因此，需要综合分析驱动器的结构形式与布局方式等参数对驱动性能的影??，研究考虑多参数的翼面变形控制精度优化设计方案，根据机翼理想型面给出最优??动器驱动位置与控制参数。本文的研究具有重要的应用价值，更是变体飞行器翼面．??状控制研究的重要课题。??．４本文主要工作和内容??翼面变形控制精度是影响可变体飞行器复杂环境适应能力的关键因素，利用压电??维复合材料的驱动性能，本文提出了压电纤维复合驱功器内部参数的分析与优化设??方法，并给出了驱动性能与控制电压的关系。研宄了在特定结构参数驱动器驱动情??下，机翼翼面的弯曲、扭转、弯扭变形控制，合理优化驱动器的布局与控制参数，??型面精度满足一定的控制要求，具体工作包括：??（１）压电纤维复合驱动器的结构几何参数优化设计。基于压电纤维本构方程和有??
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电复合材料研究现状[J]. 杜斌,张铭霞,李伶,王重海,周长灵,刘福田. 现代技术陶瓷. 2013(06)
[2]智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望[J]. 冷劲松,孙健,刘彦菊. 航空学报. 2014(01)
[3]压电纤维复合材料的发展、模拟及应用(英文)[J]. 林秀娟,周科朝,张晓泳,张斗. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013(01)
[4]碳纳米管在智能材料中的研究进展[J]. 李儒,李红波,李清文. 材料导报. 2013(01)
[5]变体平尾翼型气动外形设计方法[J]. 杜厦,昂海松. 南京航空航天大学学报. 2012(06)
[6]基于有限元法压电纤维复合物结构的模拟优化[J]. 林秀娟,张斗,张晓泳,李志友,周科朝. 中国有色金属学报. 2012(06)
[7]压电振动发电机的研究现状与发展趋势[J]. 朱莉娅,陈仁文,雷娴. 中国机械工程. 2011(24)
[8]Application of piezoelectric fiber composite actuator to aircraft wing for aerodynamic performance improvement[J]. LI Min 1 ,YUAN JunXian 1 ,GUAN De 1 &CHEN WeiMin 2* 1School of Aeronautics Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China; 2Key Laboratory of Environmental Mechanics,Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China. Science China Technological Sciences. 2011(02)
[9]压电效应及其在材料方面的应用[J]. 阎瑾瑜. 数字技术与应用. 2011(01)
[10]考虑复合材料蒙皮稳定性的飞机翼面结构布局优化设计[J]. 刘颖卓,张永存,刘书田,王向明. 航空学报. 2010(10)
博士论文
[1]层合压电智能结构振动主动控制数值模拟及其优化[D]. 钱锋.合肥工业大学 2011
硕士论文
[1]印制电子用挤压式压电喷头的墨滴喷射仿真研究[D]. 朱纯.华东理工大学 2012
[2]压电复合材料性能参数预测[D]. 黄鑫.兰州理工大学 2010
[3]超声电机用BNT基无铅压电陶瓷的研究[D]. 段志杰.南京航空航天大学 2008
[4]基于压电陶瓷的精密定位技术研究及实现[D]. 方元坤.国防科学技术大学 2005
本文编号：3298878
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