可调负泊松比蜂窝结构在变面积机翼上的应用

为提高变面积机翼的性能,实现光滑柔性的无缝变形,提出了一种新型的基于负泊松比蜂窝结构的变面积机翼设计。首先,通过将负泊松比蜂窝结构单元运用到变面积机翼的设计中,利用负泊松比单元的拉胀特性,可以使机翼结构在发生展向变形的同时,发生弦向上的变形,由此实现更大的面积变化。然后,为实现对变面积机翼结构的变形轮廓控制,设计了一种新型的局部负泊松比可调的蜂窝结构单元,通过有限元仿真对其相对弹性模量和泊松比的调控规律进行了分析。最后,通过对机翼结构中的蜂窝结构单元参数优化设计,验证了其对变面积机翼结构的变形轮廓控制能力。研究结果表明,当机翼结构沿展长方向变形量为10.0%时,变面积机翼实现了23.9%的面积变化,且机翼结构变形后轮廓与目标轮廓吻合较好,形状误差仅为1.09%。同时机翼结构具有良好的承载性能,对于使用7075铝合金材料的变面积机翼结构,在承受15 kPa的气动载荷时,最大面外位移为0.645 mm。初步验证了基于负泊松比蜂窝结构的变面积机翼设计的可行性,为变面积机翼结构的设计提供了一种新思路。

柔性转子弹性对行波旋转超声电机接触特性的影响

转/定子间动态接触过程决定行波旋转超声电机(TRUM)的输出性能,但是柔性转子弹性在以往界面接触特性研究中常被忽略.本文中基于建立的考虑柔性转子和摩擦层三维弹性的转-定子动力学耦合模型,从接触界面的接触状态、速度、接触应力、摩擦应力驱动和阻碍子区等空间分布角度,研究了柔性转子弹性对TRUM摩擦界面的动态接触行为和摩擦损耗的影响.结果表明:柔性转子在轴向、径向和切向均呈现出一定的振动速度,且在接触界面沿圆周方向与定子各向速度形成一定的相位关系,显著影响界面动态接触特性、摩擦特性和摩擦损耗;柔性转子与定子轴向位移分布的相位一致性表明,定子与摩擦层的接触界面具有类齿轮啮合机制;与以往中间驱动两端阻碍的分布结果不同,考虑转/定子动力学耦合的接触区摩擦应力分布为一端驱动和一端阻碍的新机制.计算结果表明在建模过程中忽略柔性转子弹性得到的界面摩擦损耗要比考虑柔性转子弹性获得的摩擦损耗大得多,主要原因:(1)柔性转子径向刚度小,摩擦力作用下接触区的运动方向与定子相同,从而减小了径向速度差和径向摩擦损耗;(2)柔性转子界面的切向振动特性,改变了接触界面黏-滑子区分布,使得行波远离端的摩擦应力阻碍子区消失,且摩擦层界面切向剪切变形长度增大,从而减小了切向滑动和摩擦损耗.研究结果将有助于更好地理解TRUM中的动态接触特性,并指导摩擦界面的设计.

附加式声学黑洞对悬臂板振动寿命影响研究

结构在振动条件下的疲劳破坏对其自身的使用寿命以及使用者的人身安全均带来了隐患,目前对于解决结构振动疲劳有添加加强筋、敷设大量阻尼材料等方法,但往往效率较低,附加质量过大。为解决上述问题,提出将附加式声学黑洞(ABH)安装在结构上,通过降低结构响应达到降低应力幅值,延长使用寿命的目的。以悬臂板为基准结构,利用有限元方法进行了稳态动力学分析。结果表明,在附加矩形声学黑洞(RABH)后,悬臂板缺口处的应力响应明显降低。通过应力实验以及疲劳实验,验证了附加RABH可以降低结构危险点处应力响应,并延长悬臂板结构的振动疲劳寿命。

基于环状螺旋声学黑洞的管道结构振动抑制研究

传统的附加式声学黑洞(ABH)结构主要针对板状结构的振动抑制进行设计,对于工程中广泛存在的管道结构难以适用。为解决管道结构的振动抑制问题,提出了一种能够应用在管道结构上的附加式ABH装置“环状螺旋式ABH减振器(CSABH)”。通过将ABH区域设计成螺线形式,增加了减振器的模态密度,使其与主结构更好地耦合。以铝管为基准结构,利用有限元方法探究了CSABH的动力学特性,进行了时域波聚集分析与频域响应分析。结果表明,CSABH具有良好的波聚集特性,能实现对管道20~5000 Hz的振动抑制,且当管道的约束条件和温度条件发生改变时,相同参数的CSABH仍然能够发挥良好的宽频减振效果,展现了减振的鲁棒性。通过实验验证了CSABH在管道结构的振动控制中具有宽频、高效和鲁棒性高的特点。

基于K均值算法-TOF聚类分析的复合材料板冲击损伤层析研究

碳纤维增强型复合材料(CFRP)中的冲击损伤是威胁压力容器结构安全的重要隐患,有必要对CFRP中的冲击损伤进行层析研究,促成CFRP复合材料损伤定量化分析。提出基于K均值算法对超声C扫的飞行时间(TOF)图像进行聚类分析,并结合TOF值确定不同簇所在层,对CFRP冲击损伤进行逐层定量化分析。同时,分析了冲击损伤的TOF图像,验证了基于K均值算法-TOF聚类分析的冲击损伤层析方法,并进一步通过水浸超声C扫试验获得多组试验数据,指出K均值聚类中簇的总数K为铺层总数的1.25倍即可满足损伤逐层分析,实现了不同铺层总数CFRP层合板冲击损伤的层析研究。TOF聚类分析方法可以直接对CFRP层合板各铺层的冲击损伤进行定量化,具有一定的工程意义。

基于振动测量的热防护结构脱粘损伤检测方法

针对典型飞行器热防护结构脱粘损伤现场快速无损检测的需求,提出了一种基于敲击测量频响函数的脱粘损伤识别方法。首先,利用有限元方法建立了含脱粘损伤的热防护结构有限元模型并进行了振动特性分析,分析了脱粘损伤引起的结构局部刚度下降规律以及频响函数对脱粘损伤的敏感性;其次,确定了脱粘损伤识别的特征频率范围,给出了一个脱粘损伤指标;最后,采用力锤与激光多普勒测振仪对含脱粘的热防护结构进行了测量。实验结果表明,当脱粘面积达到60%时,脱粘损伤指标比健康件增加了1倍以上,当脱粘面积达到80%时,脱粘损伤指标为健康件的5倍以上,验证了所提出的方法能够有效识别出热防护结构的脱粘损伤。

压电驱动器的非对称迟滞模型

为了补偿压电驱动器的非对称迟滞,提出了改进型Maxwell迟滞模型.Goldfarb提出的经典Maxwell迟滞模型由多个基础单元并联叠加而成,其基础单元为单个弹簧-物块单元,迟滞特性为平行四边形,故只能描述对称迟滞.为了能描述压电驱动器非对称迟滞,提出了基础单元迟滞特性为梯形的模型.为了简化算法程序,将梯形单元优化为两个三角形单元组合而成.为了验证该模型,以压电工作台为实验对象,运用该迟滞模型的逆模型进行迟滞补偿控制.单独的迟滞逆模型前馈开环控制实验结果表明,位移跟踪相对误差从7.37%降到了1.56%,输入输出基本呈线性关系.逆模型结合PID复合反馈闭环控制实验结果表明,位移跟踪相对误差进一步降低到0.53%,输入输出呈很好的线性关系.这表明本文所建立的迟滞模型能很好地描述压电驱动器非对称迟滞特性.

增加翼型升力的局部振动流动控制技术

以增加升力、弱化激波为目的,采用计算流体力学的方法,开展了流场主动控制技术的研究。提出了内埋压电材料在上翼面引入周期性正弦振动形成附面层扰动这一主动控制方法。利用结构网格和相应的非定常流计算方法,对变形过程中的气动特性进行了数值仿真。分析了各种变形参数对升力特性的影响。以往的研究大多局限在二维翼型的数值仿真,本文将计算方法扩展到三维机翼模型,以进一步验证控制方法的有效性。研究表明,通过适当的参数优化,局部主动变形能够改善翼型背风区的气动特性,起到增升减阻的作用。低马赫数下,非对称翼型升力系数可提高15%;阻力系数减小16%;高马赫数下,通过控制使激波后移,对称翼型升力系数可提高17%。与传统机翼相比,这种自适应机翼负面效应小,不破坏机翼的结构,可以满足多种飞行状态下的气动需要。

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。

智能材料结构在航空领域中的应用

最早开展智能材料结构研究的就是航空领域。随着航空科学技术的飞速发展,对飞行器的结构提出了轻质、高可靠性、高维护性、高生存能力的要求,为了适应这些要求,必须增加材料的智能性,使用智能材料结构。智能材料结构在航空飞行器上的应用主要有智能蒙皮、自适应机翼、振动噪声控制和结构健康监测等。

面向航空复合材料结构的激光超声无损检测技术

针对层合形式含曲面的航空结构大面积检测难题,基于非接触式扫描的激光超声检测技术得到了广泛的研究与关注。该技术采用脉冲式激光激励结构中的超声波,获取超声波在检测区域内的传播数据,通过分析超声波传播特征参数的变化,实现结构损伤和性能的评估。围绕使用日益广泛的航空复合材料结构,从结构脱粘损伤的识别、疲劳损伤累积的表征和疲劳剩余寿命的预测3个方面,介绍了激光超声检测技术的相关研究进展。首先,以层合结构为例,研究了脱粘损伤对超声波传播的影响,通过能量、波数等特征参数提取,实现了脱粘损伤成像;其次,研究了纤维增强复合材料中基体裂纹累积对超声波模态转换效应的影响规律,通过量化模态转换效应对基体裂纹密度进行表征;最后,建立了基于损伤形式的复合材料疲劳演化模型,采用贝叶斯模型平均和激光超声的波速测量,完成了剩余疲劳寿命的预测,为未来激光超声检测在航空复合材料中的应用提供了参考。

大型飞机舱内振动噪声主动控制技术的研究及应用

近年来,人们对飞机的舒适性提出了更高的要求,这也成为波音、空客等世界航空巨头增强其产品竞争性的发力点之一。对于载人飞行器的舒适性,主要是要求在机舱内保持一个较小的振动与噪声水平,从而提高乘客和飞行员的舒适度。

基于二维声学黑洞的周期板结构弯曲波操控特性研究

声学黑洞(ABH)结构通过按照一定幂函数剪裁结构厚度,致使结构中弯曲波相速度的减小而实现能量聚集,为航空结构中振动能量操控提供新的思路。ABH阵列可以弥补单个ABH中低频弯曲波操控特性的不足,为了研究基于二维ABH的周期板结构的弯曲波操控特性,利用有限元方法研究无限周期ABH结构的能带结构和包含有限周期ABH的板结构声强矢量场特征,分析了含中心平台ABH与无中心平台ABH构成的周期结构中弯曲波传播特征的区别,结合有限元结果明确了平面波展开方法收敛性和适用条件。数值分析结果显示,含中心平台ABH易在低于全波长特征频率时获得表征局部共振的平直带,从ABH全波长特征频率附近开始,含中心平台ABH周期结构对弯曲波能量的定向操控特征区别于无中心平台ABH周期结构。最后研究ABH截面特征参数对弯曲波能带结构的影响规律,结果表明,内嵌式ABH截面的变化对半波长特征频率附近及低于该频率的弯曲波传播影响比较小,减小中心截断厚度、增大中心平台半径以及幂次大于2有助于形成连续且宽频的方向带隙。

功能梯度压电驱动器的结构设计、制备与功能验证

根据作者早期研究中提出的一种新型功能梯度驱动器,设计并制备了该驱动器,建立了理论模型,并对驱动器的性能进行了测试。这种新型功能梯度驱动器由4种基于Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3系列的材料复合而成,且4层材料的压电常数和介电常数在厚度方向上的梯度变化相反,这种梯度结构能使驱动器结构内部的应力分布优于传统弯曲驱动器。为了对驱动器进行优化设计,利用经典复合材料力学和压电方程建立了功能梯度压电驱动器的理论模型,并计算了不同厚度配比的驱动器受电压和自由端集中力单独作用时的准静态变形和应力分布,通过分析驱动器的内部应力,确定了各层最优厚度配比为1∶1∶1∶1。根据优化结果成功制备了功能梯度压电驱动器,并测量了驱动器自由端输出位移与输出力的关系。测量结果表明,功能梯度压电弯曲驱动器的输出位移和输出力呈线性关系,并且频率越低,输出位移和力就越大。

声学黑洞结构应用中的力学问题

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化,使波在结构中的传播速度逐渐减小,理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象.实现声学黑洞效应的主要方法是将薄板结构的厚度按照一定规律裁剪,利用声学黑洞可以将结构中传播的波动能量聚集在特定的位置.声学黑洞对波的聚集具有宽频高效、实现方法简单灵活等特点,在薄壁结构的减振降噪、能量回收等应用中具有明显的优势.本文介绍声学黑洞效应的基本原理、相关力学问题的研究进展和有待进一步探究的问题,包括声学黑洞结构的建模与分析方法、实验研究方法及进展、声学黑洞结构中波的传播与操控,以及声学黑洞在工程应用中的相关问题.

二维声学黑洞对弯曲波的能量聚集效应

声学黑洞(Acoustic Black Holes,ABH)效应是利用结构厚度以一定幂函数形式减小,致使弯曲波的相速度逐渐减小而实现能量逐渐聚集,理想情况下弯曲波波速减小为0从而无法传递到结构边缘,也就不会发生反射。声学黑洞效应使得结构产生高能量密度区域,因此能高效应用于能量回收和振动噪声控制。为了研究二维声学黑洞结构具有弯曲波能量聚集效应,运用有限元分析软件ABAQUS建立了二维声学黑洞模型,从时域上研究弯曲波在声学黑洞区域的传播过程,结合有限元数值结果与振动功率流的结果分析弯曲波能量聚集过程。最后通过激光超声实验系统对二维声学黑洞中弯曲波传播过程进行成像与分析,实验结果验证了二维声学黑洞结构对弯曲波能量的聚集效应。

共振频率可调式非线性压电振动能量收集器

振动能量回收技术能够将环境中的机械振动能转换成电能,进而为微功耗装置供电,具有良好的应用前景。设计了一种利用压电材料的新型振动能量收集器,该机电耦合结构由一对非对称压电悬臂梁组成,悬臂梁末端固定有永磁体,利用永磁体产生的非线性力,实现了悬臂梁共振频率与外界激振频率的匹配调节。提出了该结构的理论模型,借助Matlab/Simulink数值分析软件对理论模型进行了仿真分析,并通过实验进行了验证。实验结果表明外界激励加速度幅值为3 m/s^2的时,结构即能实现较大频带范围内的频率匹配调节,频带范围不低于6.5Hz,最大回收功率不低于2 mW。

基于压电元件的半主动振动控制的研究

为了克服主/被动控制中存在的缺点,提出了一种基于同步开关阻尼技术的半主动振动控制新方法。基于该方法的控制系统简单,只要一些电子元器件就可以实现振动控制,且控制效果好、鲁棒性高。采用此方法能有效对悬臂复合梁进行了振动控制。由于半主动控制方法的控制效果主要取决于电路品质因子以及开关切换的延时时间,因此通过探讨这两个参数对控制效果的影响,推导了基于开关切换延时的半主动振动控制的阻尼公式,搭建了悬臂复合梁振动半主动实验平台,对理论分析结果进行了实验验证。

高效压电能量回收系统的优化设计(英文)

提出了一种新型的压电能量回收器件,通过一个开关功率变换器的辅助,系统的能量转换效率可提高400%。该功率变换器原型为Buck-Boost变压器,本项研究通过低功耗的控制电路对其进行了优化。利用Pspice软件对整个系统电路进行了建模和仿真,仿真结果显示,优化后的能量回收器件输出功率提高了3.4倍。

运用矩形压电片的冲击载荷定位新方法

为了更加方便、精确地进行结构冲击载荷定位,利用应变花的原理,通过矩形压电片传感的方向性试验,提出了一种基于矩形压电片花形结构的冲击载荷定位新方法——相对幅值法。该法只需知道压电片的响应幅值,1个压电片花形结构确定1个冲击载荷的方向,因此通过2个花形结构就可以确定冲击载荷的位置。在铝板中进行了验证试验,理论计算和实际冲击点的平均误差为3.6 cm,识别精度能满足工程实际要求。