CN106828877A - 一种新型主动气动弹性机翼 - Google Patents

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孙鹏
高逦
矫丽颖
王凡
王一凡
王逸帆
蒋昱晨
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    • B64C3/38—Adjustment of complete wings or parts thereof

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Abstract

本发明涉及一种新型主动气动弹性机翼。其具有机翼1、设置在机翼1前缘内部沿翼展方向伸展的形状记忆弹簧扭转机构2，设置在形状记忆弹簧扭转机构2前端的记忆弹簧加热电路3、设置在形状记忆弹簧扭转机构2前段与后端的记忆弹簧冷却风扇4以及中轴5。依据本发明，形状记忆弹簧扭转机构2既可以顺时针调整到正的机翼偏转位置，也可以调整到负的机翼偏转位置；当机翼1受到由于气动弹性效应引起的不衰减的且振幅很大的振动时，计算机主动控制器可以按照预先确定的控制规律驱动记忆弹簧加热电路3，使机翼1可以在形状记忆弹簧扭转机构2的驱动力下绕中轴5顺时针或逆时针旋转固定角度，使结构振动趋于稳定，从而提高了机翼1的安全性能，达到了抑制机翼颤振的目的。

Description

一种新型主动气动弹性机翼
技术领域
本发明涉及变体无人飞行器领域，尤其涉及一种新型主动气动弹性机翼。
背景技术
机翼颤振是飞行器飞行过程中最常见的气动弹性现象，是由于气动弹性效应引起的不衰减的且振幅很大的振动。若不能有效抑制机翼的颤振，将会使结构疲劳，降低可靠性，同时增加飞机阻力，增加油耗。在探索预防和避免机翼发生颤振的方法中，最为有前景的是采用主动控制技术来抑制颤振。
形状记忆合金因其具有驱动力大，多次循环不产生疲劳损伤，变形率高，变形性能稳定，功重比大等优势，而被广泛应用于智能材料结构的主动控制中。
基于记忆合金材料的主动气动弹性机翼可以通过记忆合金材料感受结构振动，所感受到的信号按照预先确定的控制规律反馈到主动控制系统的记忆材料驱动器，由驱动器驱动操纵面，产生所需的控制力，使结构振动趋于稳定，达到抑制颤振的目的。它与过去经常采用的被动方法(如增加结构刚度、配重和阻尼等)相比，在减少结构重量和保证飞行性能等方面，具有明显的优越性。
发明内容
本发明的目的：为了预防和避免机翼发生颤振，本发明提供了一种新型主动气动弹性机翼，具有机翼、设置在机翼前缘内部沿翼展方向伸展的形状记忆弹簧扭转机构，设置在形状记忆弹簧扭转机构前端的记忆弹簧加热电路、设置在形状记忆弹簧扭转机构前段与后端的记忆弹簧冷却风扇以及设置在机翼的中轴内的主动控制器。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种新型主动气动弹性机翼，当机翼受到由于气动弹性效应引起的不衰减的且振幅很大的振动时，主动控制器可以按照预先确定的控制规律驱动记忆弹簧加热电路，使机翼可以在形状记忆弹簧扭转机构的驱动力下绕中轴顺时针或逆时针旋转固定角度，使结构振动趋于稳定，从而提高了机翼的安全性能。
本发明的有益效果是：由于采用主动控制技术来抑制颤振，提高了机翼的自适应特性，所述主动气动弹性机翼可以根据机翼受力情况进行转角的适度调节，在中小型无人飞行器上应用，可以显著提高机翼结构的功重比。
附图说明
图1为本发明所述的主动气动弹性机翼结构图；
图1中，1为机翼，2为形状记忆弹簧扭转机构，3为记忆弹簧加热电路，4为记忆弹簧冷却风扇，5为中轴；
图2为本发明所述的形状记忆弹簧扭转结构图；
图2中，5为中轴，6为左侧SMA弹簧，7为右侧SMA弹簧，8为杠杆结构；
图3为本发明所述的驱动结构测试实验原理图；
具体实施方式
下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。
参见结构图1，本发明涉及一种新型主动气动弹性机翼，包括：机翼1、形状记忆弹簧扭转机构2、记忆弹簧加热电路3、记忆弹簧冷却风扇4以及中轴5。其中形状记忆弹簧扭转机构2设置在机翼1前缘内部沿翼展方向伸展，用以调整机翼偏转位置，既可以顺时针调整到正的机翼偏转位置，也可以调整到负的机翼偏转位置；形状记忆弹簧扭转机构2前端为记忆弹簧加热电路3，记忆弹簧冷却风扇4放置在形状记忆弹簧扭转机构2两侧，有利于空气对流换热；依据SMA弹簧应变与加热温度的关系，在机翼1受到由于气动弹性效应引起振动时照预先确定的控制规律驱动计算机输出信号以调整加热电路3；进而使机翼1在形状记忆弹簧扭转机构2的驱动力下绕中轴5旋转一定角度，抑制颤振。当温度高于所需时，设置在形状记忆弹簧扭转机构前段与后端的记忆弹簧冷却风扇通过控制驱动对SMA弹簧进行降温。这种形状记忆弹簧扭转机翼自适应控制系统在对机翼振动加以控制之后，新的振动情况将作为负反馈信号进一步进入控制系统，通过新的加热电流控制SMA弹簧调整机翼偏转位置，进一步形成更优结构，稳定结构振动，提高安全性能，与过去经常采用的被动方法相比，在减少结构重量和保证飞行性能等方面，具有明显的优越性。
这里需要强调的是，此循环不必一直进行下去，在具体方案实施时可通过控制信号，在振动被稳定于一定范围内后便停止进一步调节，当达到一定振动数值后再次启动，此范围可依据实际情况加以确定。
参见弹簧驱动结构图2，展示了一种形状记忆弹簧扭转结构，此旋转关节可绕中轴5转动，SMA弹簧6和SMA弹簧7两端等距分布，通过杠杆8连接，当条件改变时驱动结构能够达到所需的控制力驱动机翼改变角度，通过自身的自适应性调整，适应外界，并通过负反馈作用于外界，增加稳定性。
参见驱动结构测试实验原理图3，将SMA弹簧一端与偏置弹簧连接，一端固定起来，从而建立起SMA弹簧应变与相变回复力的关系。应用SMA弹簧的输出力可以用电流强度调节这一点，对SMA弹簧直接采用电驱动的加热方式，即采用定频脉冲宽度调制法(PWM法)进行加热，建立起SMA弹簧的输出力与电流强度的关系。将SMA弹簧应用直流稳压电源加热，风扇冷却，以叶片的旋转角位移量为控制量采用旋转变压电位器测量SMA弹簧的所加电流与叶片的旋转角位移量的关系。
将以上关系输入主动控制器的计算机中，使其通过接受旋转变压电位器测量驱动结构的电信号，通过采用参数自整定模糊PID控制算法计算得到所需的变化量，使其可以发送信号以控制系统产生相应的变化。在此关系计算过程中，根据实际情况需要引入环境温度、机翼材料、响应时等因素的影响，通过对控制程序加以修改，以提高此方案的控制效果。

Claims (5)

1.一种新型主动气动弹性机翼，包括：机翼、形状记忆弹簧扭转机构、记忆弹簧加热电路、记忆弹簧冷却风扇以及中轴。
2.根据权利要求1所述的新型主动气动弹性机翼，其特征在于：形状记忆弹簧扭转机构设置在机翼前缘内部沿翼展方向伸展，用以调整机翼偏转位置，既可以顺时针调整到正的机翼偏转位置，也可以调整到负的机翼偏转位置。
3.如权利要求1或2所述的新型主动气动弹性机翼，其特征在于：SMA弹簧应用直流稳压电源加热，风扇冷却，以叶片的旋转角位移量为控制量采用旋转变压电位器测量SMA弹簧的所加电流与叶片的旋转角位移量的关系。
4.如权利要求1、2或3所述的新型主动气动弹性机翼，其特征在于：通过反馈控制，形成闭环系统，通过监控振动，控制加热电流控制SMA弹簧，在对机翼振动加以控制之后，新的振动情况将作为负反馈信号进一步进入控制系统，通过新的加热电流控制SMA弹簧调整机翼偏转位置，进一步形成更优结构，稳定结构振动。
5.如权利要求1至4所述的新型主动气动弹性机翼，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、振动信号接收。
首先感受器接收机翼振动信息，通过信号传输到主动控制器，控制器按照控制规律向记忆弹簧加热电路发送信号。
步骤2、SMA弹簧控制。
通过建立起的SMA弹簧的输出力与电流强度的关系，应用SMA弹簧的输出力可以用电流强度调节这一点，接收主动控制器发送的电信号，对SMA弹簧直接采用电驱动的加热方式，即采用定频脉冲宽度调制法(PWM法)进行加热，从而控制温度，使机翼发生相应扭转，抑制振动。
步骤3、反馈闭环控制。
振动减弱后，新的振动信号反馈给主动控制器，主动控制器根据控制关系调整信号，进一步调整SMA弹簧，形成闭环控制。
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