CN102570368B - 一种行波型压电材料振动防除冰装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置及方法，适用于飞机机翼前缘、发动机进气道前缘以及风力机叶片的防除冰，装置包括激发第一种振型的第一压电振子、激发第二种振型的第二压电振子、信号发生器以及功率放大器。本发明在目标结构上粘贴固定两组起不同激励作用的压电振子，然后在两组压电振子上分别施加一定的电压驱动信号，激励出目标结构的两个特定振动模态，它们叠加后生成在目标结构上行进的面内或面外弹性行波。本发明有效避免了目标结构在振动时由于节线的存在而出现除冰不完全区域，并且能耗低，结构简单，维修方便。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置，尤其适应于飞机防除冰系统、风力机叶片防除冰等，属于机械振动技术领域。
背景技术：
飞机在某些飞行条件下，迎风部件表面会受到云层中过冷水滴的撞击而结冰，从而影响到相关部件的性能。例如，发生在机翼前缘的结冰会引起机翼表面的气流分离，造成飞机气动和操作性能的下降；而发生在发动机进气道前缘的结冰，则会对发动机的性能以及稳定性造成不利影响。因这些部件结冰而造成的空难不仅是航空史上的，也是人类文明的重大灾难。因此，飞机的防除冰一直是各航空大国研究的重要内容。
风能作为一种储量巨大且安全、洁净的能源，在全世界范围内都受到了极大的重视。风力发电是风能利用的主要形式，然而安装在寒冷地区或海上的风力发电机组，其桨叶的结冰问题会严重影响到系统的性能和安全性，甚至会引发重大事故。因此，一套可用并且成熟的风力机桨叶防除冰技术的出现便迫在眉睫。
一般来说，风力机桨叶和飞机机翼具有相似的翼型，因此，目前对风力机桨叶的防除冰主要采用一些现有的飞机机翼防除冰方法。针对飞机机翼结冰提出的防除冰方法有很多种，近些年出现的使用压电材料的振动防除冰方法，因其对材料的损伤小、能耗低、成本低、维修简单等优点，受到越来越多研究人员的追捧。其中研究较多的是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，通过在弹性体表面上产生的超声Lamb波和水平剪切波将冰除去，但这种方法并未考虑到单位能量下弹性体是否达到最佳振动效果，并且超声振动的频率越高产生的应力也就相应减小，甚至不能达到除冰要求。此外超声波的反射问题也使系统的相应匹配变的复杂。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出一种利用目标结构的两种固有模态在目标结构上产生行波的方法，最大限度的利用了目标结构的弹性能，并消除了因单一模态而产生的节线，降低了除冰后依然存在残留冰的可能性。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置，其特征在于：包括激发第一种振型的第一压电振子、激发第二种振型的第二压电振子、信号发生器以及功率放大器，所述信号发生器具有两个输出端，其中一个输出端连接激发第一种振型的第一压电振子，另一输出端连接激发第二种振型的第二压电振子，在所述的信号发生器输出端与第一压电振子、第二压电振子之间均连接有所述的功率放大器，所述的第一振型为目标结构的第一种面内振动模态或第一种面外振动模态，所述的第二振型为目标结构的第二种面内振动模态或第二种面外振动模态，所述的第一种面内振动模态和第二种面内振动模态相互叠加后生成在目标结构上行进的面内行波或第一种面外振动模态与第二种面外振动模态相互叠加后生成在目标结构上行进的面外行波。
其中第一振型和第二振型在选取时应避免在目标结构需要除冰的位置上产生重合的节线，且在选取时以低阶较好，从而能够产生足够大的表面应力将冰除去。
所述信号发生器输出端输出两个频率相同，相位相差π/2的正弦电信号。
所述第一压电振子和第二压电振子具有相同的规格，其使用的压电材料的两端均镀有金属电极，其中一端金属电极粘贴固定在目标结构上并接地，另一端金属电极与功率放大器的输出端相连。
所述的第一压电振子和第二压电振子的粘贴位置为各自所激励的应变振型的应变最大处，且粘贴在目标结构结冰表面的背面。同时粘贴位置的选取应避免在激励其中一种应变振型时，由于两种振型频率接近而可能产生的振型叠加现象。
压电振子所使用的压电材料在选取时应当考虑目标结构材料的机械性能。如果目标结构的刚度较大，那么压电材料的压电性要强，且刚度也要较大，否则不易激励目标结构产生强度满足除冰要求的振动。
向激发第一种振型的压电振子输入电压驱动信号使其产生振动，所述振动激励出目标结构的第一种面内振动模态或第一种面外振动模态；向激发第二种振型的压电振子输入电压驱动信号使其产生振动，所述振动激励出目标结构的第二种面内振动模态或第二种面外振动模态。两个面内或面外振动模态相互叠加后生成在目标结构上行进的面内或面外行波，此面内或面外行波能够在目标结构与冰层的交界面上产生足够大的应力，从而将冰除去。
输入到两种压电振子上的电压驱动信号具有相同的频率，并且所述频率与目标结构上激励出的两种振动模态的频率相同，或者介于二者之间。输入到两种压电振子上的电压驱动信号相差π/2相位。
所述目标结构被激励出的面内或面外两种振动模态的频率要尽可能相同，这可以通过合理调节目标结构的几何或物理特征来实现。
所述压电振子的驱动电路中可以视具体情况加入匹配电路。对具有容性负载特性的压电振子进行功率匹配，可以减小无功消耗，提高系统的输出效率,使系统更加高效的工作。所述功率匹配的理想匹配条件是匹配后电路的电纳值为零。
本发明除冰方法，步骤如下：第一步、在目标结构上粘贴固定两组起不同激励作用的第一压电振子和第二压电振子；第二步、在第一压电振子和第二压电振子上分别施加一定的电压驱动信号，激励出目标结构的第一种振动模态和第二种振动模态，第一种振动模态和第二种振动模态叠加后生成在目标结构上行进的面内或面外弹性行波。
本发明的有益效果是：除冰消耗的能量小，驱动简单，维护方便；使用两种压电振子激发出两种振动模态并叠加成一个行波，消除了仅依靠单个模态的振动进行除冰时由于在目标结构上会产生节线而带来的除冰残余现象，使得除冰更干净彻底。
附图说明：
图1为压电振子的组成示意图。
图2为系统的控制电路原理图。
图3为为基于面内模态行波激发的压电振子粘贴方法示意图。
图4为激发面内行波所选取的面内一阶纵振振型E1。
图5为激发面内行波所选取的面内二阶弯振振型B2。
图6为选取的两种面内工作模态E1和B2的频率随矩形板宽度变化的示意图。
图7为两种工作模态的频率不完全相等时所选取工作频率的幅值。
图8为两种工作模态的频率不完全相等时所选取工作频率的相位。
图9为基于面外模态行波激发的压电振子粘贴方法示意图。
图10为工作模态B10的振型应变图。
图11为工作模态B06的振型应变图。
图12为图10和图11两振型相互叠加后生成的行波在某一时刻的应变云图。
其中：
1、压电陶瓷，2、电极，3、信号发生器，4、电信号sin(ωt)，5、电信号cos(ωt)，6、功率放大器，7、第一压电振子，71、极化方向为正向的第一压电振子，72、极化方向为负向的第一压电振子，8、第二压电振子，81、极化方向为正向的第二压电振子，82、极化方向为负向的第二压电振子，9、接地，10、实际用于激发压电振子的工作频率，11、工作模态E1，12、工作模态B2，13、工作模态E1的共振频率，14、工作模态B2的共振频率，15、矩形薄铝板。
具体实施方式:
下面结合附图，以平面矩形薄铝板的除冰为例对技术方案的原理和实施作进一步的详细描述：
本例中使用的是压电陶瓷材料PZT-8多晶锆钛酸铅铁电压电陶瓷。如图1、图2所示，压电振子采用矩形片的形式，两端均镀有银电极，一端粘贴固定在目标铝板上并引出导线接地，另一端引出导线与功率放大器的输出端相连。使用的信号发生器同时输出两个正弦电信号，它们的频率值相同，大小取决于需要在目标铝板上激发出的工作模态的频率，并且相位相差π/2。信号的幅值可根据实际需要调节。两个正弦电信号分别输入到两台规格相同的功率放大器中，经过功率放大，再输入到相应的压电振子上。
本例中的铝板可看作是均匀矩形薄板，其固有振动可分为面内和面外振动两大类，每类又分别具有三种振动模式：弯曲、扭转和伸缩，每种模式都有无限多个固有振动模态，而其他振动形式都可以看成是这三种类型振动模态的叠加。因此，若想得到所需要的纯模态，必须在薄板上下表面的恰当位置配置压电振子，通过压电材料的逆压电效应对薄板进行应变激振，这是有效激励出所需模态的前提。
如图3所示，是基于面内模态的行波生成示意图。本例选取矩形薄板的一阶面内纵向伸缩振动模态E1（图4）和二阶面内弯曲振动模态B2（图5）作为生成行波的工作模态。为了在同一驱动频率下同时激励出这两个面内模态，生成行波，必须对矩形薄板进行合理的结构设计，使得这两个面内模态的频率值尽可能相同。由于在自由边界条件下矩形板无解析解，因此在具体设计薄板结构时，可利用商业有限元分析软件计算其固有频率。本例使用的方法是固定薄板的长度和厚度，让宽度不断变化，得出两个面内模态fE1和fB2的一系列频率值，它们的交点即是所需结果，见图6。实际上，所选择的两个工作模态的频率值很难完全一致，这种情况下用于激励两种模态的电信号的频率一般选在它们各自振动频响曲线的交点上，从而获得一个综合最佳工作频率，见图7。
压电振子应当粘贴在矩形薄板工作模态的最大应变处附近。根据图4、5所示的薄板应变振型，在E1应变振型的最大应变区域，即在薄板表面中心的位置粘贴一块或多块压电振子；在B2应变振型的最大应变区域，即在薄板同侧表面靠近边界处、二阶弯振的波峰和波谷位置粘贴相同规格的压电振子，波峰和波谷处压电材料的极化方向相反。如图3所示。对矩形薄板表面中心位置的压电振子施加sin(ωt)的电压信号，对边界处的压电振子施加cos(ωt)的电压信号，从而保证它们之间π/2的相位差。所有压电振子粘贴在铝板表面端的电极接地。本例中所使用的铝板本身就是导体，因此如果压电振子和铝板间的导电性良好，可以直接将铝板作为一个电极接地。
忽略其他模态对工作模态的干扰，当在图3所示的矩形板上施加两相电压激励信号后，矩形板将被激发出同频的一阶纵振模态响应和二阶弯振模态响应，它们的位移函数可用下式表达：
式中u和v分别表示纵向和横向的质点位移，和分别为模态E1和B2的固有振型函数。
由上式可以看出：一阶纵振位移响应和二阶弯振位移响应在时间上存在π/2的相位差。此外，二阶弯振可以近似看作是位移方向垂直于纵轴的质点运动，和一阶纵振位移方向相互垂直，即质点在两种模态响应下的位移在空间上亦存在π/2的相位差，所以可形成圆形或椭圆运动轨迹。行波形成之后，矩形板在振动时不再出现明显的节线。
基于面外模态的行波生成方法与面内模态的类似，如图9所示。本例中选取B10和B06两种面外模态作为激发面外行波的工作模态，见图10、图11。在振动力学中，通常用双下标（mn）描述二维结构的固有振型，正整数m和n分别表示振型平行于x和y轴方向的节线数目。因此，B10表示该模态在y方向形成一个波，B06表示该模态在x方向形成三个波加一个半波。类似的也可以选取其他不同的面外模态组合。
采用前面提到的方法，通过逐渐改变矩形薄板的长宽比，找到两个面外模态fB10和fB06一系列频率值的交点，作为最终的激励频率。压电振子粘贴在所选取工作模态的最大应变附近，如图10、如11所示。粘贴在波峰和波谷处的压电材料极化方向必须相反，对用以激发B10和B06模态的压电振子分别施加sin(ωt)和cos(ωt)的电压信号，以保证它们之间π/2的相位差，见图9。所有压电振子粘贴在铝板表面端的电极要接地，本例中可以直接将铝板接地。
对图9所示的矩形板上的压电振子施加两相电压激励信号后，矩形板将被激励出同频的B10和B06两种面外振动模态，它们的位移函数与上述面内模态的类似。显然，B10和B06两种振动模态的位移响应在时间上存在π/2的相位差，此外，由于两种模态分别是x方向和y方向上的驻波，它们叠加之后可以形成在矩形板上走动的行波。行波形成之后矩形板固定位置上的节线消失。
需要指出，本例中为激励面外行波而选择的压电振子的粘贴位置并非最佳。由于存在误差或材料不均匀等因素，会发生矩形板上激励出的A、B两相工作模态的频率不一致现象，然而从信号发生器中输出的驱动信号的频率却是唯一的，即实际驱动信号往往是在A、B两相模态的附近激励，这将使两相模态相互影响，导致二者都不纯，从而得不出纯行波。若想改善这一情况，得到较纯的两相模态，可以使用一些近频振型分离技术。例如改变激振点位置法，把激振点取在B相模态的节线上，但不在A相模态的节线上，就可以激发出较纯的A相模态。此外还有一些其他的方法。
值得注意的是，如果两相模态的振动幅值不相等，将会导致行波畸变。若想避免这一状况，可以在功率放大器的输出端调节两相驱动信号的电压值，从而改变所激发出的两相模态的幅值使其相等。
调节两相模态的频率使其一致的方法不仅限于本例中所使用的调节目标结构尺寸法，如果条件允许，还可以使用在目标结构的适当位置上添加质量、刚度或打孔等其他方法。
压电振子具有容性负载特性，为了使振动除冰系统能够高效的工作，在驱动电路和压电振子之间可以考虑加入匹配电路。所述匹配电路主要起到功率匹配作用，对作为容性负载的压电振子进行功率匹配可以减小无功消耗，提高系统的输出效率。压电振子的理想匹配条件是匹配后电路的电纳值为零。此外，压电振子所处环境的温度变化、压电振子所附着目标结构上的结冰量的变化等，也会对电路参数产生一定的影响，若对系统工作频率的要求较高，可以考虑加入动态匹配电路。
以上所述仅是本发明的一种实施例，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，例如改变压电振子的形状、数量和所使用的材料，改变为激励出合适的行波而选取的工作模态，等等，这些改进和润饰也应视为在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置，其特征在于：包括激发第一种振型的第一压电振子、激发第二种振型的第二压电振子、信号发生器以及功率放大器，所述信号发生器具有两个输出端，其中一个输出端连接激发第一种振型的第一压电振子，另一输出端连接激发第二种振型的第二压电振子，在所述的信号发生器输出端与第一压电振子、第二压电振子之间均连接有所述的功率放大器，所述的第一振型为目标结构的第一种面内振动模态或第一种面外振动模态，所述的第二振型为目标结构的第二种面内振动模态或第二种面外振动模态，所述的第一种面内振动模态和第二种面内振动模态相互叠加后生成在目标结构上行进的面内行波或第一种面外振动模态与第二种面外振动模态相互叠加后生成在目标结构上行进的面外行波。
2.根据权利要求1所述的基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置，其特征在于：所述信号发生器输出端输出两个频率相同，相位相差π/2的正弦电信号。
3.根据权利要求1或2所述的基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置，其特征在于：所述第一压电振子和第二压电振子具有相同的规格，其两端均镀有金属电极，一端的金属电极粘贴固定在目标结构上并接地，另一端的金属电极与功率放大器的输出端相连。
4.根据权利要求1或2所述的基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置，其特征在于：所述压电振子使用的压电材料的两侧均镀有金属电极，所述金属电极一侧与功率放大器输出端相连，金属电极的另一侧粘贴固定在目标结构上并接地。
5.根据权利要求1或2所述的基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置，其特征在于：所述的第一压电振子和第二压电振子的粘贴位置为应变振型的应变最大处，且粘贴在目标结构结冰表面的背面。
6.一种采用权利要求1所述的基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置的除冰方法，其特征在于：步骤如下：第一步、在目标结构上粘贴固定两组起不同激励作用的第一压电振子和第二压电振子；第二步、在第一压电振子和第二压电振子上分别施加一定的电压驱动信号，激励出目标结构的第一种振动模态和第二种振动模态，第一种振动模态和第二种振动模态叠加后生成在目标结构上行进的面内或面外弹性行波。
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