CN107291987B - 一种超声波除冰效果预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波除冰效果预测方法，涉及超声波除冰技术领域。本发明根据超声波除冰的基本原理，定义可以定量描述结冰层界面层粘接程度的场变量，并给出此变量的演化规律控制方程，通过实验测定方程中的参数并结合破冰准则，将控制方程嵌入数值计算软件进行二次开发，可以获得到表面结冰的脱落时间和次序，由此便可以对整个除冰过程进行定量预测。本发明能够对超声波除冰效果进行预测，达到评估超声波除冰系统可行性并指导其设计的目的。

Description

一种超声波除冰效果预测方法

技术领域

本发明涉及超声波除冰技术领域，具体为一种超声波除冰效果预测方法，用于航空器或风力发电桨叶的除冰系统设计过程中对其除冰效果的理论预测。

背景技术

当航空器在低温、高液态水含量等特定气候条件下飞行时易发生结冰现象。航空器结冰对其飞行安全危害很大，造成升力下降、阻力上升和操纵性、稳定性等气动特性劣化。严重的结冰甚至会导致坠毁和人员伤亡的严重事故。类似地，工作在寒冷潮湿地区的风力发电机组也面临着桨叶结冰的风险。风力桨叶结冰会造成原有的气动外形设计被破坏，发生扭矩下降和抖振等现象，影响风力机组的安全运转。在发生结冰现象或有结冰风险的情况下，通常采取暂停运行的方式来规避风险，但这会降低发电效率，减少发电时数，从而造成较大的经济损失。

因此，无论是在航空工业还是风力发电等工业场合，对结冰进行及时预警和采取必要的防/除冰措施是非常必要的。

超声波除冰技术是一种新型的机械除冰技术，由于其轻质化、低成本、低能耗和结构简单紧凑等优点，在上述领域具有非常广阔的应用前景。然而，目前对超声波除冰的机理和效果的定量预测还缺乏简单可行的方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，实现对超声波除冰设计系统的除冰效果的预测和评估，达到定量计算除冰时间和结冰脱落具体过程的目的，本发明提出了一种超声波除冰效果预测方法；

具体步骤如下：

步骤一、建立由超声波电源、功率放大系统和超声激振器组成的超声波除冰系统；

步骤二、针对待除冰层，定义表征待除冰层在待除冰设备的表面上剥离程度的损伤场变量D；

具体表示为：

D＝D(x₁,x₂,x₃,t) (1)

损伤场变量D的取值范围为0～1，当其为0时表示界面完好无损，当其为1时表示结冰已经剥离；x₁、x₂、x₃表示待除冰设备的表面上点的空间位置坐标；t表示时间变量。

步骤三、结合超声波除冰原理和实验规律，计算损伤场变量D的演化控制方程。

损伤场变量D的演化控制方程表示为：

其中，τ|_interface表示界面层的横向剪切应力大小；τ_th表示横向剪切应力门槛值，其大小为冰在待除冰表面上的静态粘接强度；a和m分别为常数。

步骤四、根据损伤场变量D的定义，结合损伤场变量D的演化控制方程规律给出破冰准则；

首先，针对待除冰表面某一点，计算该点的冰层脱落时的损伤场变量；

此时损伤场变量D的值为1，公式如下：

其中，

表示界面上某一点的空间坐标；T表示该点结冰剥离时间。

然后，将损伤场变量D的演化控制方程积分代入该点冰层脱落时的损伤场变量D中，推知破冰准则式；

破冰准则为包含除冰时间T的隐式方程，公式如下：

求解后能预测整个界面每个位置的除冰时间。

步骤五、根据超声波除冰系统的设计参数和实际待除冰设备的具体结构形式，在数值计算软件中建立相应的数字模型，得到超声激振器的最佳工作频率；

设计参数包括：几何尺寸、材料力学性能和布局位置等；

利用数值计算软件进行简谐振动计算，根据代表性节点的幅频特性曲线获得超声激振器的最佳工作频率；

步骤六、在最佳工作频率下求解实际界面层的横向剪切应力场，并代入损伤场变量D的演化控制方程，获得任意时刻实际界面层的损伤变量场的分布；

步骤七、结合破冰准则式，获得实际待除冰设备的任意位置除冰时间的预测值，并绘制除冰效果预测图。

本发明的优点及带来的有益效果在于：

(1)本发明一种超声波除冰效果预测方法，通过超声波除冰原理，给出了具体的超声波除冰效果定量描述方法，可以预测除冰时间和结冰剥离的具体过程；

(2)本发明一种超声波除冰效果预测方法，采用简洁高效的控制方程和有限元二次开发程序，可以获得除冰每个时刻的结冰剥离面积；

(3)本发明一种超声波除冰效果预测方法，不必实施过多实验，仅通过理论计算即可得到超声波除冰系统的除冰效果，节省设计成本；

(4)本发明一种超声波除冰效果预测方法，可以针对不同设计参数，迅速给出除冰效果预测，用以对新设计超声波除冰系统进行可行性分析和参数优化等。

附图说明

图1为本发明提供的一种超声波除冰效果预测方法示意图；

图2为本发明实施例待除冰平板几何尺寸和超声激振器粘贴位置示意图；

图3为本发明实施例使用的超声激振器结构示意图；

图4为本发明实施例中代表性节点幅频特性曲线示意图；

图5为本发明实施例除冰效果预测示意图；

图6为本发明超声波除冰效果预测方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明旨在基于对超声波除冰基本原理的深刻认识，提供一种可以定量预测除冰系统工作效果的完整方法。该方法可以为超声波除冰系统的设计提供可行性分析，对参数优化提供依据和指导，从而减少实验和设计成本。

超声波除冰的基本原理：超声激振器在超声波电源驱动下产生的超声震荡传导到待除冰表面上，并在此表面上以板波形式传播，在边界处反射叠加形成驻波；由于冰介质与待除冰表面介质的物理性质差异，造成超声波在其界面层间形成群速度差；相对运动使得层间产生内力，其中横向剪切力的存在是造成冰层剥离达到除冰效果的最主要因素。

本发明需针对具体的超声波除冰系统实施，为清楚起见，下面给出一具体实施例。本发明方法不局限于此实施例，可以实施于任何具体超声波除冰系统和除冰对象的情况。

超声波除冰效果预测方法，如图1所示，首先，针对待除冰平板，根据结冰粘接程度描述场变量；然后，结合超声波除冰原理，计算损伤场变量的演化控制方程；根据超声波除冰系统的设计参数，建立数值计算模型；结合破冰准则和损伤场变量的演化控制方程，获得待除冰平板的任意位置除冰时间的预测值，得到除冰效果的预测图。

超声波除冰效果预测方法流程，如图6所示，结合实施例具体说明如下：

步骤一、建立超声波除冰系统，由超声波电源、功率放大系统和两个超声激振器组成。

本实施例中，超声波电源提供正弦电压信号，功率放大系统将电信号功率放大，经放大后最大输出功率为400W，正弦电压信号幅值100V。

超声波除冰系统，如图2所示，待除冰表面为矩形铝合金薄板，长300mm，宽210mm；两个夹心式超声波激振器粘贴于待除冰矩形铝合金薄板背面中线，间隔150mm。

超声波激振器具体结构形式如图3所示，包含两块直径37mm，厚5mm的压电陶瓷片，上下分别为不锈钢和铝合金材质结构，中心用直径10mm螺栓连接；整体高度为55mm；不锈钢直径为37mm；铝合金直径为45mm。

步骤二、针对待除冰层，建立一个表征结冰层与待除冰表面间剥离程度的损伤场变量D。

损伤场变量D是时间和空间位置的函数，其在界面不同位置的分布随时间变化；由于实施例中待除冰表面为一平板，所以损伤场变量D仅与平面两个空间坐标相关，则式(1)改写为：

D＝D(x₁,x₂,t) (5)

应注意，对于一般结冰曲面应采用相应方程描述。

步骤三、结合超声波除冰原理和实验规律，计算损伤场变量D的演化控制方程。

按超声波除冰原理和实验规律，使用损伤场变量D的演化控制方程预测待除冰层剥离的演化规律。在界面上，剪切应力大的局部损伤场变量变化速度快，而剪切应力小的地方损伤变量场变化速度慢，因此冰层将在剪切应力大的部位先脱落。

根据实验，具体演化规律的定量表征可写为式(2)的形式；则损伤场变量D的演化控制方程为：

其含义为损伤场变量D在界面局部位置上的变化率与有效横向剪切应力有正相关的关系；其中，τ|_interface表示界面层的横向剪切应力幅值；τ_th表示横向剪切应力门槛值，其大小为冰在待除冰表面上的静态粘接强度；a和m分别为由实验测得的常数。

该实施例的实验测定参数已经确定为a＝1.11×10^-3；m＝1.369，此数值为通用数值，可实施于其他具体系统。应注意，横向剪切应力门槛值建议为τ_th＝0.4MPa。

步骤四、根据损伤场变量D的定义，结合损伤场变量D的演化控制方程，给出结冰剥离的判断准则，即破冰准则。

在本实施例中，当损伤场变量达到1时，此处的冰层将脱落，即：

其中，

表示实施例所述的界面上某一点的空间坐标；T表示该点结冰剥离时间。

将损伤场变量D的演化控制方程积分并代入上式，得到破冰准则式：

破冰准则为包含除冰时间T的隐式方程，公式如下：

求解后能预测整个界面每个位置的除冰时间。

步骤五、将实施例系统在有限元软件中建立数字模型，利用有限元软件进行简谐振动计算，根据代表性节点的幅频特性曲线获得超声振荡器的最佳工作频率；

具体说明如下：

步骤501、几何建模，将待除冰表面结构和超声激振器按设计几何尺寸与材料性能在计算软件中建立相应模型；

步骤502、划分网络，在建立的几何模型基础上划分网络，网络密度应满足计算精度要求；

步骤503、边界条件施加，在划分网络的基础上施加相应边界条件。

在实施例中：边界条件为边界位移固定和压电片电压边界条件，电压为正弦交流电信号，频率扫频范围为20～100kHz。对于一般情况应为压电激振器固有频率附近的适当范围；

步骤504、计算结果提取，在上述各方法实施后计算系统响应的结果，并在后处理程序中调取位移和应力节点结果，得到超声振荡器的最佳工作频率；

本发明实施例提取的待除冰表面位移分量随频率变化的幅频特性曲线，如图4所示，其中位移最大点对应的输入信号频率即为最佳频率，此实施例中的最佳频率为35kHz。

应注意，本实施例使用的是有限元软件，但是本发明不限于该计算软件，可使用任何可得到所需结果的计算方法。

步骤六、在最佳工作频率下求解实际界面层的横向剪切应力场，并代入损伤场变量D的演化控制方程，获得任意时刻实际界面层的损伤变量场的分布；

具体为：

首先，计算界面剪切应力：建立相应几何模型并划分网络；施加边界条件时应注意，将电信号频率改为最佳频率单频输入，其他与步骤503相同；提取计算结果时，只需得到提取待除冰表面的面内方向振动幅值τ|_interface即可。

在此实施例中，需提取待除冰表面与结冰层界面间的分量τ_xz和τ_yz及其相位，然后按余弦定理计算得到界面内剪切应力幅值τ|_interface：

然后，将式(6)计算得出的结果带入式(2)中，获得任意时刻损伤场变量D的分布。

步骤七、在步骤六的基础上，结合破冰准则式，获得待求的任意位置除冰时间预测值，并绘制除冰效果预测图；

具体为：

步骤701、利用式(6)计算出的界面内剪切应力幅值τ|_interface和损伤场变量D的演化控制方程式(2)预测除冰时间。

其中，横向剪切应力门槛值τ_th根据不同的材料和环境取值，一般推荐取为0.4MPa。

对式(2)积分后，除冰时间预测方程可以具体地写为：

D(t)＝1.11×10^-3(τ|_interface-0.4)^1.369t (7)

在实施例中，界面内剪切应力幅值τ|_interface大部分大于5.38MPa，按此预测出除冰时间为69.3s。

步骤702、将此实施例的数值代入式(2)，得到其具体形式：

根据式(8)得到待除冰表面全部损伤场变量D的变化过程。

步骤703、将式(8)嵌入计算软件中并进行二次开发，可以逐一截取某时刻的损伤变量场的云图，绘制除冰效果预测图，即可得到此时的除冰效果。

本实施例中，第24秒的除冰效果预测示意图，如图5所示，其中1区域代表结冰层已经除掉，2区域代表结冰层完好粘接，其他区域代表结冰层剥离处在不同阶段的情况。

根据以上方法，可以通过有限元等数值计算软件的二次开发，将损伤场变量D的演化控制方程嵌入后处理程序获得整个除冰过程。

Claims (2)

1.一种超声波除冰效果预测方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、建立由超声波电源、功率放大系统和超声激振器组成的超声波除冰系统；

步骤二、针对待除冰层，定义表征待除冰层在待除冰设备的表面上剥离程度的损伤场变量D，具体表示为：

D＝D(x₁,x₂,x₃,t) (1)

损伤场变量D的取值范围为0～1，当其为0时表示界面完好无损，当其为1时表示结冰已经剥离；x₁、x₂、x₃表示空间位置坐标；t表示时间变量；

步骤三、结合超声波除冰原理和实验规律，计算损伤场变量D的演化控制方程；

损伤场变量D的演化控制方程表示为：

其中，τ|_interface表示界面层的横向剪切应力幅值，τ_th表示横向剪切应力门槛值，a和m分别为常数；

步骤四、根据损伤场变量D的定义，结合损伤场变量D的演化控制方程规律给出破冰准则；

首先，针对待除冰表面某一点，计算该点的冰层脱落时的损伤场变量；

此时损伤场变量D的值为1，公式如下：

其中，

表示界面上某一点的空间坐标；T表示该点结冰剥离时间；

然后，将损伤场变量D的演化控制方程积分代入该点冰层脱落时的损伤场变量D中，推知破冰准则式；

破冰准则为包含除冰时间T的隐式方程，公式如下：

求解后能预测整个界面每个位置的除冰时间；

步骤五、根据超声波除冰系统的设计参数和待除冰结构的具体形式，在数值计算软件中建立数字模型，得到超声振荡器的最佳工作频率；

利用数值计算软件进行简谐振动计算，根据代表性节点的幅频特性曲线获得超声振荡器的最佳工作频率；

步骤六、在最佳工作频率下求解界面层的横向剪切应力场，并代入损伤场变量D的演化控制方程，获得任意时刻损伤变量场的分布；

步骤七、结合破冰准则式，获得实际待除冰设备的任意位置除冰时间的预测值，并绘制除冰效果预测图；

具体为：

步骤701、利用实际待除冰界面的剪切应力幅值τ|_interface和损伤场变量D的演化控制方程预测除冰时间；

对式(2)积分后，除冰时间预测方程具体为：

D(t)＝a(τ|_interface-0.4)^mt (5)

步骤702、将实际数值代入式(2)，得到实际待除冰界面损伤场变量D的变化过程；

具体公式如下：

步骤703、将式(6)嵌入数值计算软件中并进行二次开发，逐一截取某时刻的损伤变量场的云图，绘制除冰效果预测图，得到此时的除冰效果。

2.根据权利要求1所述的一种超声波除冰效果预测方法，其特征在于，所述的步骤五中，得到超声振荡器的最佳工作频率方法如下：

步骤501、将待除冰表面结构和超声激振器按设计几何尺寸与材料性能在数值计算软件中建立数字模型；

步骤502、在建立的几何模型基础上划分网络，网络密度满足计算精度要求；

步骤503、在划分网络的基础上施加边界条件；

步骤504、在上述步骤的基础上，计算系统响应的结果，并在后处理程序中调取位移和应力节点结果，得到超声振荡器的最佳工作频率。

Images