压电致动的谐振式水下柔性结构动态迟滞建模及前馈补偿

具有运动灵活且操作方便优点的宏压电纤维复合材料(macro fiber composite,MFC)致动水下柔性结构广泛应用于水下仿生推进和变形控制系统中,但是MFC的迟滞非线性严重影响了系统的定位精度和操控性能。提出了一种改进Prandtl-Ishlinskii(PI)静态迟滞和传递函数动态模型串联的复合式模型来描述MFC致动水下柔性结构谐振状态下的动态迟滞行为。首先基于所提出水下结构的准静态迟滞特性辨识得到改进PI迟滞模型参数,然后通过传递函数串联馈通环节的动态模型捕捉MFC致动柔性结构的水下谐振特性。实验结果表明所建立的复合式动态迟滞模型能够很好地描述MFC致动水下柔性结构在谐振状态下的动态迟滞行为,并且在固有频率附近一定带宽范围内仍具有较高准确性。基于复合式逆模型的前馈补偿下,水下柔性结构在谐振状态下跟踪正弦轨迹的实测位移与期望位移基本重合,补偿后二者线性度较高,显著提升了MFC致动柔性结构谐振状态下的动态定位和跟踪精度,证实了所提出动态迟滞模型和补偿方法的有效性。

水下大振幅压电纤维致动柔性结构的非线性流体动力特性及实验

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数化的二维CFD分析了不同特征振动频率及振幅下柔性结构周围流场的分布演化规律,发现随着柔性结构特征振幅增大,其周围流场逐渐出现了涡旋脱落及对流现象,且流体阻尼效应的非线性随之增强。提出了由特征振动频率和振幅共同确定的非线性修正流体动力函数解析表达式,分析结果表明:在小振幅情况下,修正流体动力函数虚部也就是流体阻尼效应随着特征振动频率的增大而减小;而当特征振幅增大到一定值后,流体阻尼效应随着特征振动频率的增大却呈现出先减小后增大的变化规律,具有强烈的非线性特性。开展了水下MFC致动柔性结构振动特性验证实验,证实柔性结构在MFC主动激励下的实测幅频、相频特性与理论预测结果基本一致,验证了所提修正流体动力函数表达式及流固耦合振动模型的有效性。

压电纤维致动柔性结构的仿鱼体波振动特性及流场分布研究

提出利用压电纤维(MFC)致动柔性结构的二阶振动模态来模仿鲹科鱼类的鱼体波运动。基于假设模态法求解智能柔性结构的前三阶振型,实验测得水下柔性结构的二阶振型,验证了智能柔性结构的二阶振型逼近鲹科鲈鱼的鱼体波。采用计算流体动力学(CFD)分析了柔性结构周围流线及压力分布情况,结果表明:二阶振动行为下,柔性结构节点前后流线方向相反;两侧流场始终存在两组高、低压集中区域,且节点前后的压力集中区域分布相反;柔性结构两侧始终存在正压梯度,其中向前的压力分量为柔性结构提供持续的推进力,而节点前后压力分量产生的侧向力方向相反,部分抵消,增强了柔性结构的侧向稳定性。研究结果为水下仿生推进器的设计和性能分析提供了重要参考。

黏性流体环境中压电宏纤维致动柔性结构的流固耦合振动特性及试验

柔性结构与周围流体的耦合作用机制广泛应用于仿生机器人、水下航行器、精密仪器及生命医疗等领域。具有驱动变形大、防水性好且柔韧性好的压电宏纤维(Macro fiber composite,MFC)致动器是水下柔性结构变形控制的首选。建立MFC内部致动弯矩和水动力载荷共同作用下柔性结构的流固耦合动力学模型。对粘贴MFC致动器的柔性结构特征截面进行计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)分析,得到不同振动特征频率下柔性结构周围流场、压力分布及所受水动力载荷,分别拟合得到MFC致动柔性结构水动力函数的实部和虚部表达式。结果表明柔性结构水动力载荷的附加质量和阻尼效应都随着振动频率的增加而减小。在等振动特征频率下,MFC致动梁结构水动力函数的实部大于匀质等截面梁的实部;在高振动频率下其水动力函数虚部同样大于匀质等截面梁。试验测试了MFC致动柔性结构的水下振动特性,试验所得MFC激励下柔性结构末端稳定振动的幅频特性和相频特性与建立的耦合动力模型相吻合,证实了所建立MFC致动柔性结构的水动力函数及流固耦合振动模型的有效性。