一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置及抑制方法与流程

1.本发明属于气动弹性技术领域，具体为一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置及抑制方法。


背景技术：

2.机翼颤振是当飞机在气流中运动并加速到临界速度时，机翼在结构的弹性力、惯性力和气动力的耦合作用下出现的一种振幅不衰减的自激振动。颤振会对机翼，尤其是轻质高柔度的大展弦比机翼造成致命的影响，会使机翼在短时间内解体。因此，准确的监测机翼在飞行过程中的振动情况并且适当的减缓振动，抑制颤振的发生是目前航空领域研究的热点和难点之一。
3.传统的颤振抑制往往通过增加结构刚度，调整质量分布，或增加控制面的手段来实现。这些手段会额外增加机翼的质量，并且会提高设计、制造和维修的成本，随着压电材料的发展，基于压电材料的振动俘能和抑制技术受到国内外学者的关注，这种技术一方面可以利用机翼的气动弹性振动进行压电俘能，另一方面也可以利用俘能特性改变或抑制气动弹性振动，还可以通过俘能电压的变化监测机翼的振动情况，现有的研究更多关注到大型减振结构，结构设计比较复杂，并且较难实现宽速域的颤振抑制。
4.专利公开号为cn109889094b的发明专利公开了一种包括机翼前缘外接梁结构的可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器。这种装置通过弹簧板和扭转弹簧将机翼的颤振传递给压电振子作为激励。这种装置增加了连接部件，对机翼的结构性能有很大的改变；专利公开号为cn113670138a发明专利公开了一种可监测和优化颤振现象的折叠舵，通过压电片将舵面的自激振动转化为电信号，从而对武器的折叠舵进行实时监测和控制。该发明将监测压电片和大面积的驱动压电片分开内置在折叠舵中，并没有真正的实现一体化模组。
5.因此，本技术提出一种可直接安装在机翼内部的小型可调节一体化模组式抑制装置及抑制方法。


技术实现要素：

6.本发明研发目的是为了解决目前通过俘能电压的变化监测机翼的振动情况所设计的结构较为复杂的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
7.本发明的技术方案：方案一：一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置，包括机翼和一体化模组，所述一体化模组安装在机翼，一体化模组包括固定支座、压电振子、金属基板、磁铁和外部电阻，固定支座安装在机翼的翼梢上，固定支座上安装有金属基板，金属基板的上下表面分别设置有压电振子，压电振子与外部电阻建立连接，金属基板上还设置有磁铁。
8.进一步的，所述金属基板包括金属基板固定端、金属基板面板和金属基板活动端，金属基板固定端与固定支座建立连接，压电振子设置在金属基板面板的上下表面，金属基板活动端上安装有磁铁。
9.进一步的，所述压电振子上设置有正负极，正负极与外部电阻组成闭合回路。
10.方案二：基于方案一所述的一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制方法，包括以下步骤：步骤一：获得机翼的颤振频率和振型；步骤二：调整磁铁的位置，使金属基板、压电振子和磁铁的装配体一阶弯曲频率等于机翼的颤振频率；步骤三：将一体化模组安装在机翼上；步骤四：通过外部信号处理器测量外部电阻端电压，通过电压信号强弱判断机翼振动幅值，通过电压信号的周期和收敛性判断机翼振动稳定性。
11.进一步的，所述步骤一中，获得机翼颤振频率和振型的方式包括数值模拟和风洞试验。
12.本发明具有以下有益效果：1.本发明的一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置，采用内置低重量的一体化模组，既不改变机翼的气动特性，也不会对机翼结构特性产生明显的影响，对于太阳能飞机等轻质大展弦比机翼尤其重要；2.本发明的一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置，采用压电振子与外部电阻组成的回路能够显示压电信号，通过信号处理器获得机翼的振动情况，实现了对机翼结构的实时监测；3.本发明的一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置通过压电材料的能量转化获取电势能，实现振动俘能，并可为低功耗传感器供电。
附图说明
13.图1是一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置的总体应用图；图2是一体化模组总体布局示意图；图3是压电振子、外部电阻以及闭合回路的示意图；图4是金属基板与固定支座的配合关系示意图。
14.图中：1-机翼，2-一体化模组，21-固定支座，22-压电振子，23-金属基板，24-磁铁，25-外部电阻，221-闭合回路，222-正负极，231-金属基板固定端，232-金属基板面板，233-金属基板活动端。
具体实施方式
15.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
16.本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接（即为不可拆卸
连接）包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。
17.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
18.实施例1，结合图1-图4说明本实施例，本实施例的一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置，包括机翼1和一体化模组2，所述一体化模组2安装在机翼1，一体化模组2包括固定支座21、压电振子22、金属基板23、磁铁24和外部电阻25，固定支座21安装在机翼1的翼梢上，固定支座21上安装有金属基板23，金属基板23的上下表面分别设置有压电振子22，压电振子22与外部电阻25建立连接，金属基板23上还设置有磁铁24。
19.金属基板23包括金属基板固定端231、金属基板面板232和金属基板活动端233，金属基板固定端231通过固定支座21与机翼1连接，金属基板面板232的上表面和下表面上分别连接有压电振子22，金属基板活动端233上安装有磁铁24，安装在金属基板面板232表面的压电振子22上设置有正负极222，正负极222与外部电阻25组成闭合回路221，外部电阻25也设置在金属基板面板232上。
20.实施例2，结合图1-图4说明本实施例，本实施例的一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制方法，包括以下步骤：步骤一：通过状态空间特征值法求解机翼1的颤振速度，颤振频率和发散模态；步骤二：通过结构动力学方程计算悬臂梁形式一体化模组2的振动特性，通过调整磁铁24的重量和位置改变一弯频率，并使一弯频率接近机翼1的颤振频率；步骤三：将一体化模组2安装在机翼1翼梢振幅最大处；步骤四：当机翼1在飞行过程中带动一体化模组2振动，当飞行速度接近颤振速度时，接通一体化模组2和外部电阻25的闭合回路221，加强电阻尼作用，并对机翼1产生附加力，实现颤振抑制的作用；步骤五：在步骤四的过程中，外部电阻25俘获机械能转换为电能，为低能耗传感器提供电流；步骤六：在步骤四和步骤五的过程中，外接信号处理器成功捕获一体化模组2传输的电流电压信号，并转化为机翼1翼梢处的振动信号，实现对机翼1振动的监测；步骤七：在飞行速度改变时，重复步骤二至步骤六的过程，调整一体化模组2的振动频率，实现宽速域范围内的颤振抑制。
21.进一步的，所述步骤一中获得机翼1颤振频率和振型的方式包括数值模拟和风洞试验。
22.本实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置，其特征在于：包括机翼（1）和一体化模组（2），所述一体化模组（2）安装在机翼（1），一体化模组（2）包括固定支座（21）、压电振子（22）、金属基板（23）、磁铁（24）和外部电阻（25），固定支座（21）安装在机翼（1）的翼梢上，固定支座（21）上安装有金属基板（23），金属基板（23）的上下表面分别设置有压电振子（22），压电振子（22）与外部电阻（25）建立连接，金属基板（23）上还设置有磁铁（24）。2.根据权利要求1所述的一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置，其特征在于：所述金属基板（23）包括金属基板固定端（231）、金属基板面板（232）和金属基板活动端（233），金属基板固定端（231）与固定支座（21）建立连接，压电振子（22）设置在金属基板面板（232）的上下表面，金属基板活动端（233）上安装有磁铁（24）。3.根据权利要求2所述的一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置，其特征在于：所述压电振子（22）上设置有正负极（222），正负极（222）与外部电阻（25）组成闭合回路（221）。4.一种如权利要求3所述的基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：获得机翼（1）的颤振频率和振型；步骤二：调整磁铁（24）的位置，使金属基板（23）、压电振子（22）和磁铁（24）的装配体一阶弯曲频率等于机翼（1）的颤振频率；步骤三：将一体化模组（2）安装在机翼（1）上；步骤四：通过外部信号处理器测量外部电阻（25）端电压，通过电压信号强弱判断机翼振动幅值，通过电压信号的周期和收敛性判断机翼（1）振动稳定性。5.根据权利要求4所述的一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置的抑制方法，其特征在于：所述步骤一中，获得机翼（1）颤振频率和振型的方式包括数值模拟和风洞试验。

技术总结
一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置及抑制方法，属于气动弹性技术领域。本发明解决了目前通过俘能电压的变化监测机翼的振动情况所设计的结构较为复杂的问题。本发明包括机翼和一体化模组，所述一体化模组安装在机翼，一体化模组包括固定支座、压电振子、金属基板、磁铁和外部电阻，固定支座安装在机翼的翼梢上，固定支座上安装有金属基板，金属基板的上下表面分别设置有压电振子，压电振子与外部电阻建立连接，金属基板上还设置有磁铁。本发明的一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置及抑制方法采用内置低重量的一体化模组，既不改变机翼的气动特性，也不会对机翼结构特性产生明显的影响。产生明显的影响。产生明显的影响。


技术研发人员：张戈 陈通 黄研昕 方子君 刘南 侯良学 于贤鹏
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/5/26