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基于压电纤维复合材料的智能结构设计和实验研究

基于压电纤维复合材料的智能结构设计和实验研究

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作者：王帅博北京工业大学

学位级别：硕士

随着航空工业的迅速发展,民用和军事领域都对飞行器提出了更高的要求,在飞机飞行速度不断提高的同时,如何提高飞机的气动弹性问题显得尤为重要。因此变体飞行器应运而生,传统的变形机翼大多采用铰链、伺服电机等机械结构和作动方式,由... 详细信息

随着航空工业的迅速发展,民用和军事领域都对飞行器提出了更高的要求,在飞机飞行速度不断提高的同时,如何提高飞机的气动弹性问题显得尤为重要。因此变体飞行器应运而生,传统的变形机翼大多采用铰链、伺服电机等机械结构和作动方式,由于其体型大、重量高,很难运用到无人机领域。随着智能材料的不断发展,越来越多的学者开始将智能材料用在无人机的变形结构中,其中压电纤维复合材料作动力矩大、质量轻、易控制、响应快,成为了国内外学者研究的热点。本文以中小型无人机的变形翼为研究背景,以压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite)为作动器,研究了两种智能结构——压电悬臂板(大展弦比机翼的简化模型)和后缘变弯度机翼,通过有限元分析和实验相结合的方法研究了两种结构在多物理场耦合作用下的动力学特性。论文的研究内容分为以下几部分:(1)根据压电纤维复合材料的有限元建模方法,提出了MFC有限元简化模型,并对其进行作动性能模拟,随后搭建静态实验平台,分别测量了MFC自身以及贴在基材上的通电变形,并将实验结果与有限元计算结果对比。(2)建立压电悬臂板动力学分析有限元模型,其中基材建模时考虑了正交各向异性材料对计算精度的影响,分别计算了压电悬臂板在单物理场和高低频耦合场中的动力学特性。其中高低频耦合场是指机翼在飞行中同时收到高频和低频外部激励时的耦合作用场。随后,搭建动力学测试平台,通过扫频实验测得压电悬臂板的前两阶固有频率,研究了压电悬臂板在不同物理场(力场和电场)下,横向位移激励和交流电激励频率对压电悬臂板振动响应的影响;其次探讨了力电耦合场中,特别是高低频耦合激励对压电悬臂板动力学特性的影响。最后将有限元计算结果与实验结果对比,验证了分析结果的正确性。(3)以压电纤维复合材料为作动器,碳纤维增强复合材料为承重件,设计了一种可实现机翼后缘连续光滑变形的智能机翼结构。根据后缘可变弯度翼型的特点,基于COMSOL Multiphysics中CFD模块采用SST湍流模型对所设计的翼型进行气动特性分析,从流场结构、压力分布、升阻特性等方面研究了机翼后缘偏转角度、机翼攻角和来流速度等参数对变形机翼气动特性的影响。(4)基于上述气动分析结果,优化设计结构并制作了实验模型,通过静态实验研究了机翼在直流电驱动下的后缘变形能力,随后针对后缘变弯度机翼在飞行时后缘主动偏转可能遇到的工况,搭建动力学实验平台,研究了MFC变弯度机翼结构在多频段及不同幅值的外部耦合激励作用下的动态稳定性。

关键词：变形机翼压电纤维复合材料高低频激励气动分析实验研究

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