一种基于压电纤维复合材料MFC驱动的智能变形翼梢小翼

一种基于压电纤维复合材料mfc驱动的智能变形翼梢小翼
技术领域
1.本发明属于智能飞行器结构与压电材料技术领域，特别涉及一种基于压电纤维复合材料mfc驱动的智能变形翼梢小翼。


背景技术：

2.飞机在飞行过程中，机翼下翼面的高压气流会绕过翼稍流向上翼面形成强烈的涡旋气流，并从机翼向后延伸很长的距离。这些气流会带走能量，同时增加诱导阻力。因此，飞机在降落时在后方会拖曳出高强度的尾涡，需要2～3分钟才能消散。在漩涡没有完全耗散时，后续跟进的飞机将会发生激烈的滚转或猛烈的下降，甚至会导致飞机坠毁。
3.为了抑制翼尖涡的产生，nasa的技术人员，r
·
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·
惠特科姆在'adesign approachandselectedwind-tunnelresultsathighsubsonicspeedsfor wing-tipmountedwinglets'《高亚音速翼尖安装小翼的设计方法和选定风洞结果》中描述了
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小翼’的基本设计和操作效能，翼稍小翼是与翼面成一定角度的小翼结构，通过降低因翼尖涡引起的诱导阻力来提高飞行效率。其能够抑制翼尖涡的原理在于，翼梢小翼本身可看作一个小型机翼，能够产生翼尖涡，且所产生的翼尖涡的方向与主机翼产生的翼尖涡的方向相反，且相距很近。在粘性耗散的作用之下，两股涡流互相缠绕，相互抵消，因此达到减少诱导阻力的目的。且翼梢小翼的安装可以对机翼下表面的绕流起到阻挡作用，有有效地削弱翼尖涡的强度。
4.翼梢小翼的几何参数以及布局方式均会对其效果产生影响。优化翼梢小翼的设计参数，能够在飞机巡航阶段有效地提升机翼的效率；但是在飞机的起飞与爬升阶段，针对于巡航阶段所设计的翼梢小翼只能带来很小的气动增量，有时甚至还会产生负增益的效果。因此，为了实现全航段优化气动性能的作用，提出了能够根据飞行任务和状态自适应变形的翼梢小翼的解决方案很有必要。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于压电纤维复合材料mfc驱动的智能变形翼梢小翼，基于mfc驱动的智能变形翼梢小翼，既可以减小翼尖涡与诱导阻力，同时还能在飞机飞行过程中根据飞行状态和任务主动自适应调整自身几何参数及布局方式，柔顺地改变飞机的形状，从而在飞行各个阶段都能使飞机更加趋近于最佳的气动性能，同时，极大地降低了驱动装置的重量和体积，为智能飞行器的小型化、智能化提供了基础和条件，验证了通过低输入电压控制压电材料驱动智能飞行器实现自适应变形的可行性。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
7.一种基于压电纤维复合材料mfc驱动的智能变形翼梢小翼，利用压电材料mfc片作为驱动元件，将压电材料mfc的弯曲变形转化为小翼的旋转变形。
8.一种基于压电纤维复合材料mfc驱动的智能变形翼梢小翼，包括机翼1，在机翼2翼
梢开有安装槽5，安装槽5内设置有尺寸小于安装槽5的压电材料mfc驱动元件2，压电材料mfc驱动元件2与通过铰链4连接小翼3，压电材料mfc驱动元件2通0-5v的低电压。
9.所述的压电材料mfc驱动元件2采用的mfc为p1型。
10.所述小翼3与垂直面之间的角度定义为外倾角α，外倾角的变化δα通过公式(1)获得：
[0011][0012]
其中，s是与小翼3连接的铰链4的短柄长度；y是压电材料mfc驱动元件2竖直方向位移y的弯曲高度。
[0013]
本发明的有益效果是：
[0014]
(1)该结构利用了铰链结构的设计，将mfc驱动结构的弯曲变形改变为小翼的旋转变形，可有效地放大翼梢小翼的旋转角度；
[0015]
(2)该结构基于压电纤维复合材料mfc的驱动，受直流电压控制，能实现通过0-5v的低电压进行实时操控与精确控制，且结构简单，无需其他驱动控制装置；
[0016]
(3)mfc驱动结构位于机翼内部，其变形没有受到外界边界的限制，减少了不必要的约束，进一步增大了变形。
[0017]
本发明利用压电材料mfc作为驱动元件，减小驱动装置体积，实现实时自适应驱动与精确控制；提出了铰链4，将压电材料mfc驱动元件2的弯曲变形转化为翼梢小翼3的旋转变形；通过对该结构放大变形的原理进行了解释，验证了通过低输入电压控制压电材料驱动智能飞行器实现自适应变形的可行性。
附图说明
[0018]
图1是本发明基于mfc驱动的智能翼稍小翼的结构示意图。
[0019]
图2是本发明翼稍小翼通电的结构示意图。
[0020]
图3是本发明翼稍小翼未通电后的变形结构示意图。
[0021]
图4是本发明智能变形小翼不同电压下受驱动变形过程图。
[0022]
图5是mfc驱动结构的变形原理图。
具体实施方式
[0023]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0024]
见图1，一种基于压电纤维复合材料mfc驱动的智能变形翼梢小翼，包括机翼1，在机翼2翼梢开有安装槽5，安装槽5内设置有尺寸小于安装槽5的压电材料mfc驱动元件2，压电材料mfc驱动元件2通过铰链4连接小翼3，压电材料mfc驱动元件2通0-5v的低电压。电源和dc-dc高压转换器隐藏在机翼内，小翼3与垂直面之间的角度定义为外倾角α。mfc驱动结构作为智能小翼的关键部件，用于控制翼稍小翼的自适应旋转变形。作为小翼3的一部分，使用了图2所示的铰链，它可以传递变形，将mfc驱动结构的弯曲变形转换成翼稍小翼的旋转变形。
[0025]
利用压电材料mfc驱动元件2作为驱动，极大地降低驱动装置的重量和体积，为智能飞行器的小型化、智能化提供了基础和条件。采用的mfc为p1型，主要用于驱动，即利用压
电材料的逆压电效应，通入电信号，压电纤维在电场作用下沿电场方向伸长或缩短，导致整体结构的伸缩，起到变形驱动的作用。
[0026]
通过铰链4的设计，将mfc驱动结构的弯曲变形巧巧妙地转化翼稍小翼的旋转变形。当驱动电压输入时，mfc产生伸长变形致使基体板产生弯曲变形，进而联动翼稍小翼2产生旋转变形，以达到改变翼稍小翼2外倾角α的目的。
[0027]
通过0-5v的低电压控制压电材料变形来控制翼稍小翼柔顺的改变外倾角，使得智能飞行器可以根据飞行器攻角和不同的飞行任务自适应调整低驱动电压来改变外形使得全飞行阶段保持最优气动性能。
[0028]
压电纤维复合材料mfc(macro-fibercomposite)是一种高性能、高耐用性和高可靠性的驱动元件和传感元件。作为一种表面可整合的薄板，mfc可以应用于各种类型的结构或嵌入到复合结构中，mfc内部是一种层合铺设结构，由矩形压电陶瓷棒夹在粘合剂、电极和聚酰亚胺薄膜层之间组成。电极以相互交错的方式连接到薄膜上，将施加的电压直接传递到带状棒上或从带状棒上传递出去。这种包装好的铺层结构保证了mfc能够发生平面极化、驱动和传感。本发明所采用的mfc为p1型，主要用于驱动，即利用压电材料的逆压电效应。通入电信号，压电纤维在电场作用下沿电场方向伸长或缩短，导致整体结构的伸缩，起到变形驱动的作用。利用mfc进行驱动的优势如下：(1)mfc灵活、轻便、耐用，容易装入小翼进行驱动，整体结构简单，不增加额外重量；(2)mfc驱动翼梢小翼进行自适应变形控制，控制精确，且可调节，能实现实时控制；(3)mfc由机身固有电压装置进行驱动，无需额外驱动装置；(4)mfc最大可提供450n的驱动力，可驱动结构产生更大变形；(5)智能变形翼梢小翼可在飞行过程中更高效地减少翼尖涡和诱导阻力，以及附加升力。
[0029]
本发明的工作原理：
[0030]
未通电变形和通电变形的智能翼稍小翼结构分别如图2和图3所示。无电压输入时，压电材料mfc驱动元件2结构是平直的，如图3，。当施加驱动电压时，机电耦合特性驱使mfc变形，导致基板弯曲变形，铰链4结构使小翼能够实现显著的旋转变形，如图2所示。外倾角α角度可以根据小翼中mfc驱动结构的驱动程度而变化。图2和图3中显示了短柄长度s和mfc驱动结构竖直方向位移y的弯曲高度，翼稍小翼外倾角的变化δα可通过公式1获得：
[0031][0032]
见图4，逐渐增大驱动电压，由图4可见，翼稍小翼外倾角逐渐变小，说明通过低输入电压控制的智能材料来驱动智能飞行器结构柔顺的自适应改变其外形是可行的。
[0033]
附加说明：
[0034]
复合驱动板变形原理
[0035]
由于mfc是一种柔度很大，易于弯曲的软体驱动片，不能直接装入整体结构进行驱动，因此需将mfc与刚性基体板进行粘贴，作为复合驱动结构驱动小翼变形。mfc与基体板粘贴，层间紧密贴合。通入直流电压驱动p1型mfc，由于压电材料的逆压电效应，mfc在电压作用下线性伸长或缩短变形。其具体表现为：在电压u的作用下，mfc产生应变：ε＝βu，其中β为mfc的压变系数，应变方向为mfc内部电场的方向。由于基体板不受电压驱动(即基体板不对电压产生直接变形)，mfc与基体板层间粘合，mfc将对基体板产生力和力矩。最终mfc与基体板协调变形，在电压作用下共同发生弯曲。mfc驱动结构的变形原理如图5所示。
[0036]
综上，本发明提供的一种基于压电纤维复合材料mfc的智能变形翼梢小翼，既可以减小翼尖涡与诱导阻力，同时还能在飞机飞行过程中根据飞行状态自适应调整自身几何参数及布局方式，柔顺地改变机翼的形状，从而在飞行的各个阶段都能使飞行器趋近于最佳气动性能。

技术特征：
1.一种基于压电纤维复合材料mfc驱动的智能变形翼梢小翼，其特征在于，利用压电材料mfc片作为驱动元件，将压电材料mfc的弯曲变形转化为小翼的旋转变形。2.一种基于压电纤维复合材料mfc驱动的智能变形翼梢小翼，包括机翼(1)，其特征在于，在机翼(2)翼梢开有安装槽(5)，安装槽(5)内设置有尺寸小于安装槽(5)的压电材料mfc驱动元件(2)，压电材料mfc驱动元件(2)与通过铰链(4)连接小翼(3)，压电材料mfc驱动元件(2)通0-5v的低电压。3.根据权利要求2所述的一种基于压电纤维复合材料mfc驱动的智能变形翼梢小翼，其特征在于，所述的压电材料mfc驱动元件(2)采用的mfc为p1型。4.根据权利要求2所述的一种基于压电纤维复合材料mfc驱动的智能变形翼梢小翼，其特征在于，所述小翼(3)与垂直面之间的角度定义为外倾角α，外倾角的变化δα通过公式1获得：其中，s是与小翼3连接的铰链4的短柄长度；y是压电材料mfc驱动元件2竖直方向位移y的弯曲高度。

技术总结
一种基于压电纤维复合材料MFC驱动的智能变形翼梢小翼，包括机翼，在机翼翼梢开有安装槽，安装槽内设置有尺寸小于安装槽的压电材料MFC驱动元件，压电材料MFC驱动元件与通过铰链连接小翼，压电材料MFC驱动元件通低电压；利用压电材料MFC片作为驱动元件，通过铰链将MFC的弯曲变形转化为翼梢小翼的旋转变形；本发明基于压电纤维复合材料MFC驱动的智能变形翼梢小翼，既可以减小翼尖涡与诱导阻力，同时还能在飞行器飞行过程中根据飞行状态和任务主动自适应调整自身几何参数及布局方式，柔顺地改变机翼的形状，从而在飞行各个阶段都能通过低输入电压控制飞行器趋近于最佳气动性能。入电压控制飞行器趋近于最佳气动性能。入电压控制飞行器趋近于最佳气动性能。


技术研发人员：肖江海 李群 陈祥华 张堰铭
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/4/4