CN102941924B - 一种压电弹性波除冰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电弹性波除冰方法，信号发生器产生两路具有π/2相位差的相同频率交变电压，分别经由两个功率放大器放大后，通过附着在飞机蒙皮内表面的两组压电单元激发蒙皮两种不同振型的压电振子，即第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子的振动，在同一驱动频率激励下，第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子产生出两个振动模态，即纵向振动或弯曲振动模态，这两个振动模态叠加在航空器蒙皮上形成类似行波的弹性波，在冰层附着界面上产生剪应力，利用由此产生的剪切力迫使冰层从蒙皮上剥落脱离，实现航空器表面除冰的目的。本发明能耗低、功耗小，可以与机载航电系统兼容而无需单独供电，并且可进行连续工作。
Description
技术领域
本发明属于室外设备外表面除冰领域，适用于航空器表面除冰，特别是一种压电弹性波除冰方法。
背景技术
尽管科技进步使航空飞行越来越安全，但是飞机机翼大量结冰成了航空业最具挑战性的问题之一。在一定的高空，云中高过冷度的水滴以不稳定的液态形式存在，当飞机通过时，水滴会迅速聚集凝固在机身上变成冰层。飞机结冰不仅使气动性能恶化，阻力增大，升力减小导致失速（即飞机升力迅速小于飞机重力，飞机快速下坠），而且产生发动机功率下降，风挡视界不清，有关仪表读数不准等问题。因此，结冰直接影响到飞行安全。飞行试验和风洞试验表明，只要机翼的翼前缘有1.5mm的结冰，就足以使飞机损失约50%的升力，并增加相同数量的阻力。通常情况下，当结冰发生时，两分钟内就会将结冰量累积到危险的程度，其结果会使飞机失速比预期的时间还要早发生（RobertBuck，“SafePilot,SafeFlight-AircraftIcing,SafetyAdvisor-WeatherNo.1”AirSafeFoundation,FoundedbyFederalAviationAdministration，http://www.aopa.org/）。其次，停放在机场的飞机在低温天气也会面临机身结冰的问题。按照国际上的有关规定，禁止有霜、雪或冰的飞机起飞。但是由于各种的原因，比如：等待批准起飞时间过长、机翼结冰位置不易被发现等等，对冬季飞行安全构成严重威胁。
电热除冰方法是目前较为成熟、大部分航空器采用最多的除冰方法。然而，电热除冰的系统功耗较大，可达到数千瓦，超过一般机载航电系统的负载能力，因此通常只能周期性加热，而结冰仍然在间歇期产生。其次，电热除冰系统质量体积均较大，布置在机翼等部位增加了其固有质量，需要进行精确设计以降低对其强度和振动特性的影响。再者，随着新型飞机结构材料的发展，大量高分子复合材料被应用于直升机旋翼叶片上作为轻质高耐蚀涂覆层，电热除冰方法与这一发展趋势产生了矛盾。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电弹性波除冰方法，利用压电材料的逆压电效应，在航空器蒙皮上激励出类似行波的、波峰不断移动的弹性波，在冰层附着界面上产生剪应力，迫使冰层从蒙皮上剥落脱离，实现航空器表面除冰的目的。
解决本发明技术问题的技术方案为：一种压电弹性波除冰方法，信号发生器产生两路具有π/2相位差的相同频率交变电压，分别经由两个功率放大器放大后，通过附着在飞机蒙皮内表面的两组压电单元激发蒙皮两种不同振型的压电振子，即第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子的振动，在同一驱动频率激励下，第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子产生出两个振动模态，即纵向振动或弯曲振动模态，这两个振动模态叠加在航空器蒙皮上形成类似行波的弹性波，在冰层附着界面上产生剪应力，利用由此产生的剪切力迫使冰层从蒙皮上剥落脱离，实现航空器表面除冰的目的。
本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明基于压电作动器的航空器机载除冰方法是非电热的，利用共振型压电作动器产生的超声频率的振动，在冰层与机身的结合界面产生剪切应力，当该剪切应力超过积冰层和机身的结合力时便可使冰层从机身上剥落脱离。（2）能耗低、功耗小，可以与机载航电系统兼容而无需单独供电，并且可进行连续工作，克服了电热除冰间歇期间仍有结冰的不足。（3）压电作动器体积和重量小，避免了大量电加热元件对机翼强度和振动特性的影响，是一种低成本高效除冰方式，还可用于如风力发电机叶片等其它大型户外设备的除冰。
附图说明
图1是本发明压电弹性波除冰方法除冰工作原理示意图。
图2是基于一阶纵向振动和二阶弯曲振动的行波生成原理图：
（a）是基于面内模态行波激发的压电振子粘贴位置示意图；
（b）是激发面内行波所选取的面内一阶纵振振型E1；
（c）是激发面内行波所选取的面内二阶弯振振型B2。
图3是基于面外模态行波激发的压电振子粘贴位置示意图。
图4是激发面外行波所选取的工作模态振型和应变云图：
（a）是工作模态B10的振型应变图；
（b）是工作模态B06的振型应变图；
（c）是两工作模态叠加后生成的行波在某一时刻的应变云图。
具体实施方式
结合图1，本发明压电弹性波除冰方法，信号发生器产生两路具有π/2相位差的相同频率交变电压，分别经由两个功率放大器放大后，通过附着在飞机蒙皮内表面的两组压电单元激发蒙皮两种不同振型的压电振子（即第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子）的振动，在同一驱动频率激励下，第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子产生出两个振动模态，即纵向振动或弯曲振动模态，这两个振动模态叠加在航空器蒙皮上形成类似行波的弹性波，在冰层附着界面上产生剪应力，利用由此产生的剪切力迫使冰层从蒙皮上剥落脱离，实现航空器表面除冰的目的。
上述两组压电振子(即第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子)分别在两路具有π/2相位差的相同频率交变电压作用下，激发航空器蒙皮在两个正交方向上的两种纵向振动模态：第一种振型和第二种振型的压电振子都选取航空器蒙皮的纵向振动模态。第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子都粘贴在被除冰表面工作模态的最大应变处。纵向振动的最大应变处在节点处，节点位置可通过现有技术的有限元分析方法计算得出。两组压电振子(即第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子)分别在两路具有π/2相位差的相同频率交变电压作用下，激励出在空间上亦存在π/2相位差的质点位移，叠加后在航空器蒙皮面内形成类似行波的弹性纵波，在弹性纵波途经冰层附着处时产生剪切应力，使附着的冰层剥离脱落。
上述两组压电振子(即第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子)分别在两路具有π/2相位差的相同频率交变电压作用下，激发航空器蒙皮在两个正交方向上的两种弯曲振动模态：第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子都选取航空器蒙皮的弯曲振动模态。第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子都粘贴在航空器蒙皮工作模态的最大应变处，弯曲振动的最大应变处在波峰和波谷位置。在弯曲振动的波峰和波谷处分别粘贴极化方向相反的压电振子。两组压电振子(即第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子)分别在两路具有π/2相位差的相同频率交变电压作用下，激励出在空间上亦存在π/2相位差的质点位移，叠加后在航空器蒙皮面内形成类似行波的弹性纵波，在弹性纵波途经冰层附着处时产生剪切应力，使附着的冰层剥离脱落。
任何物体的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：伸缩、弯曲和扭转，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。若想在被除冰表面得到所需要的振动模态，可以在其表面的恰当位置利用压电振子的逆压电效应进行应变激振，有效激励出所需模态。
本发明的基本原理如图1所示。信号发生器（如通用的交流电压信号发生器）产生两路相位相差π/2的交变电压，分别经由两个功率放大器放大后，激发两种不同振型的压电振子（第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子）。在同一驱动频率激励下，一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子分别产生一个面内（或面外）振动模态，叠加生成类似行波的波峰移动的弹性波，利用由此产生的剪切力使冰层从机身上剥落脱离，实现航空器表面除冰的目的。
实施例1
本发明压电弹性波除冰方法中，信号发生器产生两路相位差为π/2的交变电压，分别经由两个功率放大器放大后，施加到两种不同振型的压电振子（第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子）上。第一种振型的压电振子选被除冰表面的一阶面内纵向伸缩振动模态E1，第二种振型的压电振子选二阶面外弯曲振动模态B2。图2(a)所示是基于被除冰表面的一阶面内纵向伸缩振动模态E1（图2(b)）和二阶面外弯曲振动模态B2（图2(c)）的类似行波的弹性波生成示意图。为保证最佳的除冰效果，第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子分别粘贴在被除冰表面的最大应变处。面内纵向振动的最大应变处在其节点处，面外弯曲振动的最大应变处在其波峰和波谷处。所以，在本例中，E1应变振型的最大应变处在被除冰表面的中心。在B2应变振型的最大应变处在被除冰表面的边界上二阶弯振的波峰和波谷位置。同时，二阶弯振的波峰和波谷处应该分别粘贴极化方向相反压电振子以保证在其激励下质点位移朝向相同。对两种不同振型的压电振子分别sin(ωt)的电压信号和cos(ωt)的电压信号，保证它们之间π/2的相位差。因此，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。由于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，与一阶纵振位移方向相互垂直。由此得到的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，从而形成类似行波的弹性波。利用由此弹性波产生的剪切力使冰层从机身上剥落脱离，实现航空器表面除冰的目的。
实施例2
本发明压电弹性波除冰方法中，信号发生器产生两路相位差为π/2的交变电压，分别经由两个功率放大器放大后，施加到两种不同振型的压电振子（第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子）上。第一种振型的压电振子选被除冰表面的B10振动模态，第二种振型的压电振子选B06振动模态。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。图3所示是基于面外模态行波激发的压电振子粘贴方法示意图例。为保证最佳的除冰效果，第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子分别粘贴在被除冰表面的最大应变处。B10和B06均为面外模态，其最大应变处在其波峰和波谷处，波峰、波谷位置可以通过测量获得。在本例中，B10和B06两种面外模态粘贴在波峰和波谷处的压电振子极化方向必须相反，以保证在其激励下质点位移朝向相同。对两种不同振型的压电振子分别sin(ωt)的电压信号和cos(ωt)的电压信号，保证它们之间π/2的相位差。因此，B10和B06两种模态的位移响应在时间上存在π/2的相位差。由于B10和B06两种模态位移方向相互垂直，由此得到的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，从而形成类似行波的弹性波。利用由此弹性波产生的剪切力使冰层从机身上剥落脱离，实现航空器表面除冰的目的。图4(a)是工作模态B10的振型应变图，图4(b)是工作模态B06的振型应变图，图4(c)两工作模态叠加后生成的行波在某一时刻的应变云图。
Claims (2)
1.一种压电弹性波除冰方法，其特征在于信号发生器产生两路具有π/2相位差的相同频率交变电压，分别经由两个功率放大器放大后，通过附着在飞机蒙皮内表面的两组压电单元激发蒙皮两种振型的压电振子，即第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子的振动，在同一驱动频率激励下，第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子产生出两个振动模态，即纵向振动模态，这两个振动模态叠加在航空器蒙皮上形成类似行波的弹性波，在冰层附着界面上产生剪应力，利用由此产生的剪切力迫使冰层从蒙皮上剥落脱离，实现航空器表面除冰的目的；两种振型的压电振子，以下分别称为第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子，在两路具有π/2相位差的相同频率交变电压作用下，激发航空器蒙皮在两个正交方向上的两种纵向振动模态：第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子都选取航空器蒙皮的纵向振动模态，将第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子都粘贴在航空器被除冰表面工作模态的最大应变处，该纵向振动的最大应变处在节点处，第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子分别在两路具有π/2相位差的相同频率交变电压作用下，激励出在空间上亦存在π/2相位差的质点位移，叠加后在航空器蒙皮面内形成类似行波的弹性纵波。
2.一种压电弹性波除冰方法，其特征在于信号发生器产生两路具有π/2相位差的相同频率交变电压，分别经由两个功率放大器放大后，通过附着在飞机蒙皮内表面的两组压电单元激发蒙皮两种振型的压电振子，即第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子的振动，在同一驱动频率激励下，第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子产生出两个振动模态，即弯曲振动模态，这两个振动模态叠加在航空器蒙皮上形成类似行波的弹性波，在冰层附着界面上产生剪应力，利用由此产生的剪切力迫使冰层从蒙皮上剥落脱离，实现航空器表面除冰的目的；第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子分别在两路具有π/2相位差的相同频率交变电压作用下，激发航空器蒙皮在两个正交方向上的两种弯曲振动模态：第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子都选取航空器蒙皮的弯曲振动模态，将第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子都粘贴在航空器蒙皮工作模态的最大应变处，弯曲振动的最大应变处在波峰和波谷位置，在弯曲振动的波峰和波谷处分别粘贴极化方向相反的压电振子，第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子分别在两路具有π/2相位差的相同频率交变电压作用下，激励出在空间上亦存在π/2相位差的质点位移，叠加后在航空器蒙皮面内形成类似行波的弹性纵波。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |