CN112985738A

CN112985738A - 薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置

Info

Publication number: CN112985738A
Application number: CN202110188049.4A
Authority: CN
Inventors: 戴玉婷; 黄广靖; 杨超
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2021-02-10
Filing date: 2021-02-10
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2041-02-10
Also published as: CN112985738B

Abstract

本发明公开了一种薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，属于气动弹性能量收集技术领域，包括支座、薄膜机翼和压电片；支座两侧两挡板之间通过机翼连接转盘安装薄膜机翼，该薄膜机翼通过转轴盘带动实现迎角可调。薄膜机翼包括前后缘轴、前部金属薄膜和后部橡胶薄膜，金属薄膜上串联压电片；在进行薄膜机翼迎角调节时：首先，对薄膜机翼进行迎角调节；调节到试验需要迎角后固定；随后通过转动后缘轴卷收橡胶薄膜，施加需求应力，最后在气流作用下，该薄膜机翼产生流致振动，压电片将应变能转化为电能。本发明可有效延长压电片的使用寿命；且在保证不影响薄膜机翼的气动性能的同时，实现不同环境下的能量收集，保证能量转化效率。

Description

薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置

技术领域

本发明涉及一种压电能量收集试验装置，具体是一种薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，属于气动弹性能量收集技术领域。

背景技术

微型固定翼飞行器由于几何尺寸小和飞行速度低，其飞行雷诺数属于低雷诺数流动，导致其气动性能大幅降低。同时，其在遭遇阵风时容易出现失速现象，影响其纵向稳定性。另外，由于微型飞行器的载重量较低，目前电池的能量密度难以在短时间内进行突破，使得微型飞行器的飞行时间和飞行距离受到很大的限制。

薄膜机翼利用薄膜的大柔性，薄膜在气流作用下振动，能大幅提升机翼的升阻比，延缓机翼失速，并且提升机翼失速后的气动性能。因此，现有技术对薄膜机翼在不同攻角下的流致振动结构响应和流场结构进行了详细的研究。

但是，目前未涉及利用薄膜进行流致振动压电能量收集的装置；现有方式，一般是在结构表面直接粘贴压电片的方式，这样做，一方面由于压电片的弹性模量远远高于薄膜机翼橡胶材料，导致结构被动变形变小，气动性能下降；另一方面压电片也会在反复的大变形作用下出现疲劳断裂。故现有的压电能量收集方式存在难以实际工程应用、影响薄膜机翼的气动性能等问题。因此在现有技术中，对于飞行器进行能量收集的装置主要存在以下待解决问题：

1、对能量收集装置进行设计时，如何减小压电片附近的弯曲大变形，避免其疲劳断裂；

2、设计机械结构时，如何使其可以调整攻角和薄膜预应力，提升能量收集装置在不同环境下的能量转化效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，通过橡胶薄膜和金属薄板结合的机翼结构，有效减小了在流致振动中金属薄板的变形程度，延长压电片的使用寿命。同时，利用压电片对薄膜机翼进行能量收集，同时保证不影响薄膜机翼的气动性能，实现不同环境下的能量收集，保证能量转化效率；且可实现同时调整迎角、金属薄板的长度和薄膜的预应力，改善能量收集效率。

本发明一种薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，设计有安装于支座两侧挡板间迎角可调节的薄膜机翼。薄膜机翼前部为金属薄板，安装于前缘轴上，后部为橡胶薄膜，安装于后缘轴上。上述金属薄板上安装有压电片。

为实现薄膜机翼迎角可调，本发明设计有机翼连接转盘。薄膜机翼的前缘轴与后缘轴两端分别穿入相对设置的两个机翼连接转盘上的开孔，通过两端设计的台肩结构实现与机翼连接转盘间的轴向定位。进一步前缘轴与后缘轴两端分别穿过挡板外侧架设的连接板上设计的两条弧形槽，端部安装锁紧螺母。机翼连接转盘设置于支座两侧挡板中心开孔内，且保证机翼连接转盘内侧面与挡板内侧面齐平；机翼连接转盘通过中心连接轴穿过连接板，并在连接轴上位于连接板两侧安装锁紧螺母。

在进行薄膜机翼迎角调节时：首先，松开前缘轴端部锁紧螺母、后缘轴端部锁紧螺母以及两个机翼连接转盘连接轴上的锁紧螺母；此时，旋转机翼连接转盘，实现薄膜机翼迎角调节；调节完毕后，将各个锁紧螺母锁紧。

本发明在进行流致振动压电能量收集试验时，首先，使用根据试验要求调节薄膜机翼迎角；随后，通过单独旋转后缘轴，调节橡胶薄膜预应力达到要求；最后，在气流的作用下，橡胶薄膜产生流致振动，带动金属薄板发生弯曲变形，压电片利用压电效应将应变能转化为电能，经过AD-DC转化电路和控制器的平整化处理后，将电能储存在锂离子充电电池中。

本发明的优点在于：

1、本发明薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，首次提出了利用薄膜机翼的流致振动现象进行压电能量收集，可以通过薄膜机翼的流致振动带动前缘处的金属薄板振动进行压电能量收集。

2、本发明薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，基本不影响薄膜机翼的气动性能，同时压电片粘贴位置处弯曲变形减小，不易疲劳断裂，具有易于工程推广应用、结构简单和使用寿命长等优点。

3、本发明薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，可以调整迎角、前缘金属薄板的长度和薄膜的预应力，改变机翼的流致振动特性，能适应不同来流情况下的能量收集，提升能量收集效率。

附图说明

图1为本发明薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置的结构示意图。

图2为本发明薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置中金属薄板与前缘轴的安装示意图。

图3为本发明薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置中金属薄板与橡胶薄膜的嵌入式连接剖面图。

图4为本发明薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置中摇臂示意图。

图中：

1-支座 2-机翼连接转盘 3-薄膜机翼

4-压电片 5-摇臂 6-六角扳手孔

101-挡板 102-底梁 103-刻度盘

104-圆弧槽 201-连接轴 202-插接口

301-前缘轴 302-后缘轴 303-金属薄板

304-橡胶薄膜 301a-插缝 301b-螺纹孔

303a-插接段 304a-插槽 501-插头

502-凸起

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。

本发明薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，包括支座1、机翼连接转盘2、薄膜机翼3与压电片4，如图1所示。

所述支座1用于支撑薄膜机翼3，具有左右两侧挡板101，沿左右方向设置两条底梁102以及安装于左右两侧挡板101上的刻度盘103。其中，左右两侧挡板101为中心设计有圆孔的矩形板，垂直于两条底梁102，设置于靠近两条底梁102两端位置，且底边与两条底梁102固定。左右两侧挡板101内侧面之间用于设置薄膜机翼3。刻度盘103为圆盘，通过外缘周向均布的支柱固定于挡板101外侧面，且与挡板101中心圆孔同轴。刻度盘103外侧面周向上等角度间隔设计有刻度。

所述机翼连接转盘2为两个，分别同轴设置于支座1左右两侧挡板101的中心圆孔内，周向上与圆孔孔壁间距尽可能小，用于实现薄膜机翼3与支座1间的连接；且机翼连接转盘2的内侧壁与挡板101内侧壁齐平，避免对流经薄膜机翼的气流造成影响。两个机翼连接转盘2中心位置同轴设计有连接轴201，与支座1间的连接方式相同，具体为：机翼连接转盘2中心位置连接轴201穿过刻度盘103中心位置开孔；同时在机翼连接转盘2上，位于刻度盘103两侧安装有锁紧螺母，由此通过拧紧刻度盘103两侧锁紧螺母，实现机翼连接转盘2在左右两侧挡板101的中心圆孔内的同轴定位。

所述薄膜机翼3包括前缘轴301、后缘轴302、金属薄板303和橡胶薄膜304。其中，前缘轴301与后缘轴302为弹性轴，前后平行设置，用于支撑两者间的机翼部分。前缘轴301与后缘轴302左右两端均设计有环形台肩。前缘轴301与后缘轴302左端分别穿过左侧的机翼连接转盘2中轴线两侧相对位置上设计的通孔，随后穿过左侧的刻度盘103竖直平分线两侧对称设计的与刻度盘103同心的圆弧槽104后，由环形台肩与左侧的机翼连接转盘2配合限位；最后通过拧紧前缘轴301与后缘轴302左端上安装的锁紧螺母，实现前缘轴301与后缘轴302在左侧的机翼连接转盘2上的位置固定。同理，前缘轴301与后缘轴302右端分别穿过右侧的机翼连接转盘2中轴线两侧相对位置上设计的通孔，随后穿过右侧的刻度盘103竖直平分线两侧对称设计的与刻度盘103同心的圆弧槽104后，由环形台肩与右侧的机翼连接转盘2配合限位；最后通过拧紧前缘轴301与后缘轴302右端上安装的锁紧螺母，实现前缘轴301与后缘轴302在右侧的机翼连接转盘2上的位置固定。

金属薄板303与橡胶薄膜304构成机翼部分，铺设于前缘轴301与后缘轴302之间。其中，金属薄板303的厚度为0.05～0.5mm，刚性需要满足弹性模量大于10GPa。金属薄板303前侧边沿前缘轴301轴向设置，并与前缘轴301固定。如图2所示，金属薄板303与前缘轴301间具体固定方式如下：在前缘轴301上沿前缘轴301轴向设计有插缝301a，同时在前缘轴301轴向上分布至少两个螺纹孔301b，该螺纹孔301b与插缝301a相通。在金属薄板303安装时，首先将金属薄板303前缘插入到前缘轴301上的插缝301a内，随后通过在前缘轴301两端螺纹孔301b内安装螺栓拧紧，由螺栓将金属薄板303顶紧固定，且螺栓整体位于前缘轴301内。此时在前缘轴301上卷绕金属薄板303即可。上述金属薄板303需紧密贴合的卷绕于前缘轴301上，将前缘轴301上开设的螺纹孔303b遮挡，防止由于螺纹孔303b的存在时前缘轴301表面不平整，影响气流流动。

橡胶薄板304厚度与橡胶薄膜303厚度相同，金属薄板303后部一段作为插接段303a，厚度设计为小于金属薄板303整体厚度；同时橡胶薄膜304前端端面上设计有沿橡胶薄膜304横向的插槽304a，该插槽304a的宽度等于金属薄板303的插接段303a厚度，由此通过将金属薄板303的插接端与橡胶薄膜304前段插槽304a配合插接，实现金属薄板303与橡胶薄膜304间的固定，如图3所示。为便于金属薄板303与橡胶薄膜304间的连接，可将橡胶薄膜304设计为双层结构，分别将两层橡胶薄膜304与金属薄板303的插接段303a贴合固定后，再将两层橡胶薄膜304间粘接固定成整体。橡胶薄膜304后侧边沿后缘轴302轴向设置，宽度与金属薄板303宽度相同，橡胶薄膜304后部通过粘合剂粘接固定于后缘轴302上。由此在前缘轴301与后缘轴302间撑开由金属薄板303与橡胶薄膜304构成的薄膜结构机翼部分；且金属薄板303与橡胶薄膜304的宽度设计为与两侧机翼连接转盘2水平距离相同，使薄膜机翼3两侧与机翼连接转盘2间无缝隙，消除了薄膜机翼展向流动的三维效应；同时前缘轴301与后缘轴302均设计为圆形截面，使撑开的机翼部分呈更好的流线型，气动性能更好。

上述金属薄板303上横向安装多个压电片4，压电片4之间进行串联。压电片4尽可能的靠近前缘轴301，位于应变力最大处；压电片4的数量越多能量收集效果越好，本实施方式中在金属薄板303横向上等间隔安装十二个压电片4。

上述结构的薄膜机翼3流致振动压电能量收集试验装置，通过转动机翼连接转盘2，可带动前缘轴301和后缘轴302沿刻度盘103上两侧圆弧槽104内等角度运动，实现薄膜机翼3的迎角(薄膜机翼3与水平面之间的夹角)调整，迎角调整角度可通过刻度盘103上的刻度进行读取。为了实现机翼连接转盘2的旋转，将两侧机翼连接转盘2中心连接轴201设计为空心轴，外端对侧设计插接口202；同时设计用于与连接轴201配合的摇臂5，在摇臂5端部设计插头501，插头501外径设计与连接轴201内径相等，同时在插头501外壁相对位置设计两个柱状凸起502，柱状凸起502直径等于插接口202宽度，如图4所示。由此，通过将摇臂5的插接端段插入连接轴201内，使插头501上的柱状凸起502与连接轴201上的插接口202配合插接，实现摇臂5与连接轴201间的轴向定位，此时转动摇臂5即可带动机翼连接转盘2转动。同时，上述结构的薄膜机翼3流致振动压电能量收集试验装置中，在后缘轴302两端面设计有六边形孔6，如图1所示，用于与六角扳手配合插接，进而通过六角扳手可单独对后缘轴302进行旋转操作，在不改变薄膜机翼3迎角的情况下，实现后缘轴302的独立转动，使后缘轴302相对于后缘轴302的刚度中心旋转，进而卷起橡胶薄膜304，橡胶薄膜304外置的宽度变小，预应力增加。

本发明薄膜机翼3流致振动压电能量收集试验装置进行电能收集的工作原理为：

首先，松开前缘轴301两端的锁紧螺母、刻度盘103两侧的锁紧螺母以及后缘轴302两端的锁紧螺母，使用摇臂5插入连接轴201定位，利用摇臂5顺时针转动机翼连接转盘2，此时前缘轴301和后缘轴302同样顺时针在圆弧槽104内转动。

根据刻度盘103上的刻度，将机翼部分调整到试验要求的迎角角度；此时，拧紧前缘轴301两端的锁紧螺母和刻度盘103两侧的锁紧螺母，固定前缘轴301和机翼连接转盘2。

随后使用六角扳手插入后缘轴302端部的六角扳手孔6中，顺时针旋转后缘轴302，给橡胶薄膜304施加预应力，将橡胶薄膜304卷起，当达到设定的预应力后，拧紧后缘轴302两端的锁紧螺母固定后缘轴302。

最后，将调整好的装置整体置于气流环境中，在气流的作用下，橡胶薄膜304产生流致振动，带动金属薄板303发生弯曲变形，粘贴于金属薄板303上的压电片4利用压电效应将应变能转化为电能，经过AD-DC转化电路和控制器的平整化处理后，将电能储存在锂离子充电电池中。

本发明薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，如果金属薄板在前缘轴301和后缘轴302之间的长度占比太大会抑制薄膜的振动导致气动性能下降，如果占比太小，那么可以粘贴的压电片就会很小，可收集的能量就会很小，因此可通过更换不同长度的金属薄板，改变金属薄板在前缘轴301和后缘轴302之间的长度占比，达到气动性能和能量收集性能的均衡。因此本发明中设计金属薄板303在前缘轴301和后缘轴302之间的长度占比为机翼部分弦长的20％，满足不低于薄膜机翼3的气动性能的90％，对气动性能基本没有影响，且可提升能量收集性能。

Claims

1.薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，其特征在于：设计有安装于支座两侧挡板间迎角可调节的薄膜机翼；薄膜机翼前部为金属薄板安装于前缘轴上，后部为橡胶薄膜安装于后缘轴上；金属薄板上安装有压电片。

2.如权利要求1所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，其特征在于：薄膜机翼具体安装方式为：前缘轴与后缘轴两端分别穿入相对设置的两个机翼连接转盘上的开孔，通过两端设计的台肩结构实现与机翼连接转盘间的轴向定位；进一步前缘轴与后缘轴两端分别穿过挡板外侧架设的连接板上设计的两条弧形槽，端部安装锁紧螺母；机翼连接转盘设置于支座两侧挡板中心开孔内，且保证机翼连接转盘内侧面与挡板内侧面齐平；机翼连接转盘通过中心连接轴穿过连接板，并在连接轴上位于连接板两侧安装锁紧螺母；在进行薄膜机翼迎角调节时：首先，松开前缘轴端部锁紧螺母、后缘轴端部锁紧螺母以及两个机翼连接转盘连接轴上的锁紧螺母；此时，旋转机翼连接转盘，实现薄膜机翼迎角调节；调节完毕后，将各个锁紧螺母锁紧。

3.如权利要求2所述的薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，其特征在于：薄膜机翼两端与机翼连接转盘间紧密接触无缝隙。

4.如权利要求2所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，其特征在于：连接板上周向设计刻度，用于查看迎角角度。

5.如权利要求2所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，其特征在于：机翼连接转盘的旋转通过摇臂实现，首先设计连接轴为空心轴，且端部对侧设计插接口；同时在摇臂端部设计插入空心轴内的插头，并在插头两侧设计插入插接口凸起。

6.如权利要求2所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，其特征在于：后缘轴端面设计有六边形孔，与六角扳手配合插接，通过六角扳手单独对后缘轴进行旋转操作，调节橡胶薄膜的预应力。

7.如权利要求1所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，其特征在于：金属薄板与前缘轴间固定方式为：在前缘轴上沿前缘轴轴向设计有插缝，金属薄板插入到插缝内；同时在前缘轴轴向上分布至少两个螺纹孔，该螺纹孔与插缝相通，通过拧紧螺纹孔内安装的螺栓实现金属薄板顶紧固定。

8.如权利要求7所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，其特征在于：螺栓整体位于螺纹孔内，且通过金属薄板在前缘轴上的卷绕对螺纹孔进行遮挡。

9.如权利要求1所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，其特征在于：金属薄板与橡胶薄膜间，通过金属薄板侧边处设计的插接段与橡胶薄膜侧边处设计的插槽插接配合固定。

10.针对权利要求1所述的薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置的试验方法，其特征在于：

首先，使用根据试验要求调节薄膜机翼迎角；

随后，通过单独旋转后缘轴，调节橡胶薄膜预应力达到要求；

最后，在气流的作用下，橡胶薄膜产生流致振动，带动金属薄板发生弯曲变形，压电片利用压电效应将应变能转化为电能，经过AD-DC转化电路和控制器的平整化处理后，将电能储存在锂离子充电电池中。