CN114412953B - 基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构及方法，包含直升机旋翼叶片、上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层；上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层均为m层压电薄膜通过导电胶以叠层的方式粘贴形成的叠层串联结构，分别设置在直升机旋翼叶片的上端面、下端面的凹槽内；上端压电薄膜叠层的上端面通过导线或导电薄片和下端压电薄膜叠层的下端面电气相连。本发明通过叠层式压电薄膜的机电耦合行为抑制振动，采用被动控制方法，将旋翼因振动而产生的形变等机械能转化为电能，通过电荷中和的方式耗散能量，并将系统的等效刚度变成了可变量，避免了共振现象，具有良好的经济效益和应用前景。

Description

基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构及方法

技术领域

本发明涉及压电领域和机械振动控制领域，尤其涉及一种基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构及方法。

背景技术

由于直升机旋翼在工作时承受着变化的气流激励，承载着交变气动载荷，导致其自身的振动，成为了引起直升机振动和噪声的主要来源，严重影响着工作的效率与安全。而主动控制技术结构复杂且控制繁琐，传统被动控制抑振效果不佳且可靠性低。本发明通过叠层式压电薄膜的机电耦合行为抑制振动，采用被动控制方法，将旋翼因振动而产生的形变等机械能转化为电能，通过电路模块进行电荷中和的方式耗散能量；同时该抑振结构将系统的等效刚度变成了可变量，从而改变了系统的“固有频率”，从而避免了共振现象。本发明结构简单、可靠性高、抑振效果显著、电路简单、应用范围广、便于生产，具有良好的经济效益和应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构及方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构，包含直升机旋翼叶片、上端压电薄膜叠层、以及下端压电薄膜叠层；

所述上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层结构相同，均为m层压电薄膜通过导电胶以叠层的方式粘贴形成的叠层串联结构，m为大于等于2的自然数；

所述直升机旋翼叶片的上端面、下端面上分别设有用于设置上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层的凹槽；所述上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层分别通过导电胶粘贴在所述直升机旋翼叶片上端面、下端面的凹槽内，且上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层关于直升机旋翼叶片的弦平面对称；

所述上端压电薄膜叠层的上端面通过导线或导电薄片和所述下端压电薄膜叠层的下端面电气相连，使得上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层、直升机旋翼叶片形成闭合串联回路；

所述上端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向均相同，所述下端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向均相同，所述上端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向和下端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向相反。

本发明还公开了一种该基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构的抑振方法，包括以下步骤：

当直升机旋翼叶片振动导致系统向上弯曲时：

步骤A.1），直升机旋翼叶片因风流而受到气动载荷变化，叶尖开始产生向上的位移；

步骤A.2），直升机旋翼叶片叶尖产生向上的位移，使得直升机旋翼叶片产生形变向上弯曲，上端压电薄膜叠层受到压应力，使得其内压电薄膜沿着极化方向伸长，从而发生正压电效应产生方向与其极化方向相反的感应电场；下端压电薄膜叠层在基体受到拉应力，使得其内压电薄膜在极化方向上缩短，发生正压电效应产生方向与其极化方向相同的感应电场；

导电胶使得电荷累计，在上端压电薄膜叠层的上表面呈现正电荷，在下端压电薄膜叠层的下表面呈现负电荷，上端压电薄膜叠层上表面和下端压电薄膜叠层下表面的电荷进行中和，将电能通过正负电荷的中和耗散，起到了减小振动形变的效果；

步骤A.3），随着直升机旋翼叶片的叶尖向上运动，直升机旋翼叶片的形变量越来越大，使得上端压电薄膜叠层上表面的正电荷和下端压电薄膜叠层下表面的负电荷逐渐增多，由机械能转化的电能也随之增多，更多的电能被耗散；

步骤A.4），直升机旋翼叶片的叶尖停止向上运动，开始产生向下的位移；

步骤A.5），随着直升机旋翼叶片的叶尖向下运动，直升机旋翼叶片的形变量逐渐减小，使得上端压电薄膜叠层上表面的正电荷和下端压电薄膜叠层下表面的负电荷逐渐减少，耗散的能量逐渐减少；

步骤A.6），当直升机旋翼叶片的叶尖向下运动到其发生振动前的位置时，压电薄膜的变形量为零，正压电效应停止，此时，上端压电薄膜叠层的上表面和下端压电薄膜叠层的下表面呈现中性；

当直升机旋翼叶片振动导致系统向下弯曲时：

步骤B.1），直升机旋翼叶片因风流而受到气动载荷变化，叶尖开始产生向下的位移；

步骤B.2），直升机旋翼叶片叶尖产生向下的位移，使得直升机旋翼叶片产生形变向下弯曲，上端压电薄膜叠层受到拉应力，使得其内压电薄膜沿着极化方向缩短，从而发生正压电效应产生方向与极化方向相同的感应电场；下端压电薄膜叠层受到压应力，使得其内压电薄膜在极化方向上伸长，发生正压电效应产生方向与极化方向相反的感应电场；

导电胶使得电荷累计，在上端压电薄膜叠层的上表面呈现负电荷，在下端压电薄膜叠层的下表面呈现正电荷，上端压电薄膜叠层上表面和下端压电薄膜叠层下表面的电荷进行中和，将电能通过正负电荷的中和耗散，起到了减小振动形变的效果；

步骤B.3），随着直升机旋翼叶片叶尖向下运动，直升机旋翼叶片的形变量越来越大，使得上端压电薄膜叠层上表面的负电荷和下端压电薄膜叠层下表面的正电荷逐渐增多，由机械能转化的电能也随之增多，更多的电能被耗散；

步骤B.4），直升机旋翼叶片的叶尖停止向下运动，开始产生向上的位移；

步骤B.5），随着直升机旋翼叶片的叶尖向上运动，直升机旋翼叶片的形变量逐渐减小，使得上端压电薄膜叠层上表面的负电荷和下端压电薄膜叠层下表面的正电荷逐渐减少，耗散的能量逐渐减少；

步骤B.6），当直升机旋翼叶片的叶尖向上运动到其发生振动前的位置时，压电薄膜的变形量为零，正压电效应停止，此时，上端压电薄膜叠层的上表面和下端压电薄膜叠层的下表面呈现中性。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明通过压电薄膜的叠层组合，提高压电薄膜的机电耦合行为，利用压电薄膜柔性强、响应快、精度高等优势，使得工作效率提高、结构简单、可靠性强；

2.本发明中的上端压电薄膜叠层和下端压电薄膜叠层的串联，通过两者之间的电荷中和使得电能耗散，结构简单，电路简洁，并且可通过进一步的扩展将电能储存或转化进行二次利用，具有较高的开发空间和应用前景；

3.本发明通过正压电效应的应用，使得电能耗散的同时减小了系统的形变量，改变系统的等效刚度，从而改变了系统的“固有频率”，使得系统的“固有频率”成为了以风致激振频率为自变量的函数，避免引起共振。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层的应用位置示意图；

图3是本发明中直升机旋翼基体、上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层和电路模块相配合示意图；

图4是本发明中上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层相配合的结构示意图；

图5是本发明中直升机旋翼基体、上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层和电路模块相配合组成的电路结构示意图；

图6是本发明中一阶模态下叶尖向上弯曲状态时的电路工作原理示意图；

图7是本发明中一阶模态下叶尖向上弯曲状态时的结构工作原理示意图；

图8是本发明中一阶模态下叶尖向下弯曲状态时的电路工作原理示意图；

图9是本发明中一阶模态下叶尖向下弯曲状态时的结构工作原理示意图。

图中，1-直升机旋翼叶片，2-上端压电薄膜叠层，3-下端压电薄膜叠层，4-导线或导电薄片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构，包含直升机旋翼叶片、上端压电薄膜叠层、以及下端压电薄膜叠层；

所述上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层结构相同，均为m层压电薄膜通过导电胶以叠层的方式粘贴形成的叠层串联结构，m为大于等于2的自然数；

如图2、图3所示，所述直升机旋翼叶片的上端面、下端面上分别设有用于设置上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层的凹槽；所述上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层分别通过导电胶粘贴在所述直升机旋翼叶片上端面、下端面的凹槽内，且上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层关于直升机旋翼叶片的弦平面对称；

如图4所示，所述上端压电薄膜叠层的上端面通过导线或导电薄片和所述下端压电薄膜叠层的下端面电气相连，使得上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层、直升机旋翼叶片形成闭合串联回路，如图5所示；

所述上端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向均相同，所述下端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向均相同，所述上端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向和下端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向相反。

直升机旋翼叶片上端面、下端面的凹槽的尺寸与压电薄膜叠层一致，不会影响旋翼的气动性能；而连接上端压电薄膜叠层下端面和下端压电薄膜叠层上端面的导线或导电薄片的非连接部分做绝缘处理，防止短路等电路问题。

所述上端压电薄膜叠层和下端压电薄膜叠层所采用的压电薄膜每层的厚度、尺寸均相同；在直升机旋翼做简谐振动状态下，所述上端压电薄膜叠层和下端压电薄膜叠层由于正压电效应所产生的电荷或电压大小相同，方向相反。

直升机旋翼振动的被动控制结构是利用叠层式压电薄膜的正压电效应，通过将机械能转化为电能，进行电荷中和而耗散系统能量；同时该抑振结构将系统的等效刚度变成了可变量，从而避免了共振现象。

当直升机在工作状态，因风流扰动带来的气动载荷变化导致直升机旋翼发生振动，在实际工作状态中一阶模态振动影响最易被引发，并且振动现象严重影响叶片工作，成为引发直升机安全事故最主要的因素。

旋翼叶片的一个振动周期中包含向上弯曲和向下弯曲两种运动。

本发明还公开了一种该基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构的抑振方法，包括以下步骤：

如图6、图7所示，当直升机旋翼叶片振动导致系统向上弯曲时：

步骤A.1），直升机旋翼叶片因风流而受到气动载荷变化，叶尖开始产生向上的位移；

步骤A.2），直升机旋翼叶片叶尖产生向上的位移，使得直升机旋翼叶片产生形变向上弯曲，上端压电薄膜叠层受到压应力，使得其内压电薄膜沿着极化方向伸长，从而发生正压电效应产生方向与其极化方向相反的感应电场；下端压电薄膜叠层在基体受到拉应力，使得其内压电薄膜在极化方向上缩短，发生正压电效应产生方向与其极化方向相同的感应电场；

导电胶使得电荷累计，在上端压电薄膜叠层的上表面呈现正电荷，在下端压电薄膜叠层的下表面呈现负电荷，上端压电薄膜叠层上表面和下端压电薄膜叠层下表面的电荷进行中和，将电能通过正负电荷的中和耗散；同时，电荷中和的方式起到了减小振动形变的效果，由于系统的等效刚度为载荷与形变量的比值，所以本发明中直升机旋翼叶片的等效刚度相比传统的旋翼叶片增大；

步骤A.3），随着直升机旋翼叶片的叶尖向上运动，直升机旋翼叶片的形变量越来越大，使得上端压电薄膜叠层上表面的正电荷和下端压电薄膜叠层下表面的负电荷逐渐增多，由机械能转化的电能也随之增多，更多的电能被耗散；同时，传统叶片的形变量与本发明中直升机旋翼叶片的形变量差值δ也逐渐增大，直升机旋翼叶片的等效刚度呈现增大的变化；

步骤A.4），直升机旋翼叶片的叶尖停止向上运动，开始产生向下的位移；

步骤A.5），随着直升机旋翼叶片的叶尖向下运动，直升机旋翼叶片的形变量逐渐减小，使得上端压电薄膜叠层上表面的正电荷和下端压电薄膜叠层下表面的负电荷逐渐减少，耗散的能量逐渐减少；同时，传统叶片的形变量与本发明中直升机旋翼叶片的形变量差值δ也逐渐减小，本发明中直升机旋翼叶片的等效刚度呈现下降的变化（大于传统旋翼结构的等效刚度）；

步骤A.6），当直升机旋翼叶片的叶尖向下运动到其发生振动前的位置时，压电薄膜的变形量为零，正压电效应停止，此时，上端压电薄膜叠层的上表面和下端压电薄膜叠层的下表面呈现中性；

如图8、图9所示，当直升机旋翼叶片振动导致系统向下弯曲时：

步骤B.1），直升机旋翼叶片因风流而受到气动载荷变化，叶尖开始产生向下的位移；

步骤B.2），直升机旋翼叶片叶尖产生向下的位移，使得直升机旋翼叶片产生形变向下弯曲，上端压电薄膜叠层受到拉应力，使得其内压电薄膜沿着极化方向缩短，从而发生正压电效应产生方向与极化方向相同的感应电场；下端压电薄膜叠层受到压应力，使得其内压电薄膜在极化方向上伸长，发生正压电效应产生方向与极化方向相反的感应电场；

导电胶使得电荷累计，在上端压电薄膜叠层的上表面呈现负电荷，在下端压电薄膜叠层的下表面呈现正电荷，上端压电薄膜叠层上表面和下端压电薄膜叠层下表面的电荷进行中和，将电能通过正负电荷的中和耗散；同时，电荷中和的方式起到了减小振动形变的效果，由于系统的等效刚度为载荷与形变量的比值，所以本发明中直升机旋翼叶片的等效刚度相比传统的旋翼叶片增大；

步骤B.3），随着直升机旋翼叶片叶尖向下运动，直升机旋翼叶片的形变量越来越大，使得上端压电薄膜叠层上表面的负电荷和下端压电薄膜叠层下表面的正电荷逐渐增多，由机械能转化的电能也随之增多，更多的电能被耗散；同时，传统叶片的形变量与本发明中直升机旋翼叶片的形变量差值δ也逐渐增大，本发明中直升机旋翼叶片的等效刚度呈现增大的变化；

步骤B.4），直升机旋翼叶片的叶尖停止向下运动，开始产生向上的位移；

步骤B.5），随着直升机旋翼叶片的叶尖向上运动，直升机旋翼叶片的形变量逐渐减小，使得上端压电薄膜叠层上表面的负电荷和下端压电薄膜叠层下表面的正电荷逐渐减少，耗散的能量逐渐减少；同时，传统叶片的形变量与本发明中直升机旋翼叶片的形变量差值δ也逐渐减小，本发明中直升机旋翼叶片的等效刚度呈现下降的变化（大于传统旋翼结构的等效刚度）；

步骤B.6），当直升机旋翼叶片的叶尖向上运动到其发生振动前的位置时，压电薄膜的变形量为零，正压电效应停止，此时，上端压电薄膜叠层的上表面和下端压电薄膜叠层的下表面呈现中性。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构的抑振方法，所述基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构包含直升机旋翼叶片、上端压电薄膜叠层、以及下端压电薄膜叠层；

所述上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层结构相同，均为m层压电薄膜通过导电胶以叠层的方式粘贴形成的叠层串联结构，m为大于等于2的自然数；

所述直升机旋翼叶片的上端面、下端面上分别设有用于设置上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层的凹槽；所述上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层分别通过导电胶粘贴在所述直升机旋翼叶片上端面、下端面的凹槽内，且上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层关于直升机旋翼叶片的弦平面对称；

所述上端压电薄膜叠层的上端面通过导线或导电薄片和所述下端压电薄膜叠层的下端面电气相连，使得上端压电薄膜叠层、下端压电薄膜叠层、直升机旋翼叶片形成闭合串联回路；

所述上端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向均相同，所述下端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向均相同，所述上端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向和下端压电薄膜叠层中压电薄膜的极化方向相反；

其特征在于，所述基于被动控制的直升机旋翼压电薄膜抑振结构的抑振方法包括以下步骤：

当直升机旋翼叶片振动导致系统向上弯曲时：

步骤A.1），直升机旋翼叶片因风流而受到气动载荷变化，叶尖开始产生向上的位移；

步骤A.2），直升机旋翼叶片叶尖产生向上的位移，使得直升机旋翼叶片产生形变向上弯曲，上端压电薄膜叠层受到压应力，使得其内压电薄膜沿着极化方向伸长，从而发生正压电效应产生方向与其极化方向相反的感应电场；下端压电薄膜叠层在基体受到拉应力，使得其内压电薄膜在极化方向上缩短，发生正压电效应产生方向与其极化方向相同的感应电场；

导电胶使得电荷累计，在上端压电薄膜叠层的上表面呈现正电荷，在下端压电薄膜叠层的下表面呈现负电荷，上端压电薄膜叠层上表面和下端压电薄膜叠层下表面的电荷进行中和，将电能通过正负电荷的中和耗散，起到了减小振动形变的效果；

步骤A.3），随着直升机旋翼叶片的叶尖向上运动，直升机旋翼叶片的形变量越来越大，使得上端压电薄膜叠层上表面的正电荷和下端压电薄膜叠层下表面的负电荷逐渐增多，由机械能转化的电能也随之增多，更多的电能被耗散；

步骤A.4），直升机旋翼叶片的叶尖停止向上运动，开始产生向下的位移；

步骤A.5），随着直升机旋翼叶片的叶尖向下运动，直升机旋翼叶片的形变量逐渐减小，使得上端压电薄膜叠层上表面的正电荷和下端压电薄膜叠层下表面的负电荷逐渐减少，耗散的能量逐渐减少；

步骤A.6），当直升机旋翼叶片的叶尖向下运动到其发生振动前的位置时，压电薄膜的变形量为零，正压电效应停止，此时，上端压电薄膜叠层的上表面和下端压电薄膜叠层的下表面呈现中性；

当直升机旋翼叶片振动导致系统向下弯曲时：

步骤B.1），直升机旋翼叶片因风流而受到气动载荷变化，叶尖开始产生向下的位移；

步骤B.2），直升机旋翼叶片叶尖产生向下的位移，使得直升机旋翼叶片产生形变向下弯曲，上端压电薄膜叠层受到拉应力，使得其内压电薄膜沿着极化方向缩短，从而发生正压电效应产生方向与极化方向相同的感应电场；下端压电薄膜叠层受到压应力，使得其内压电薄膜在极化方向上伸长，发生正压电效应产生方向与极化方向相反的感应电场；

导电胶使得电荷累计，在上端压电薄膜叠层的上表面呈现负电荷，在下端压电薄膜叠层的下表面呈现正电荷，上端压电薄膜叠层上表面和下端压电薄膜叠层下表面的电荷进行中和，将电能通过正负电荷的中和耗散，起到了减小振动形变的效果；

步骤B.3），随着直升机旋翼叶片叶尖向下运动，直升机旋翼叶片的形变量越来越大，使得上端压电薄膜叠层上表面的负电荷和下端压电薄膜叠层下表面的正电荷逐渐增多，由机械能转化的电能也随之增多，更多的电能被耗散；

步骤B.4），直升机旋翼叶片的叶尖停止向下运动，开始产生向上的位移；

步骤B.5），随着直升机旋翼叶片的叶尖向上运动，直升机旋翼叶片的形变量逐渐减小，使得上端压电薄膜叠层上表面的负电荷和下端压电薄膜叠层下表面的正电荷逐渐减少，耗散的能量逐渐减少；

步骤B.6），当直升机旋翼叶片的叶尖向上运动到其发生振动前的位置时，压电薄膜的变形量为零，正压电效应停止，此时，上端压电薄膜叠层的上表面和下端压电薄膜叠层的下表面呈现中性。

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