压电驱动的载荷比拟方法.pdfVIP

中国科学 E 辑 : 技术科学 2009 年 第 39 卷 第 11 期 : 1810 ~ 1817 SCIENCE IN CHINA PRESS 压电驱动的载荷比拟方法 ① ②* ① ① 李敏 , 陈伟民 , 王明春 , 贾丽杰 ① 北京航空航天大学航空科学与工程学院, 北京 100191; ② 中国科学院力学研究所工程科学部, 北京 100190 * E-mail: wmchen@ 收稿日期: 2009-03-18; 接受日期: 2009-04-29 国家自然科学基金(批准号:资助项目 摘要 随着压电材料与结构大量进入航空航天结构控制领域, 针对大型复杂结构的压 关键词 电驱动计算与优化对计算方法提出更高的要求. 本文提出并验证了压电驱动载荷比拟方 压电驱动器 法. 使用该方法可以大大降低有限元模型规模, 避免多压电铺层面内电压定义困难、简化 压电纤维复合材料 材料参数在材料主向与单元主向之间的复杂转换, 特别适合于结构强度工程人员进行压 形状控制 振动控制 电驱动的振动与形状控制设计. 驱动特性 近几十年在结构控制领域, 以压电陶瓷、形状记 础, 并出现了联合使用压电纤维复合材料与碳纤维 忆合金为代表的智能材料发挥着越来越重要的作用. 复合材料进行高空长航时无人机的设计方案[8~11]. 相对于传统的驱动装置, 压电智能结构最为诱人之处 相对于材料研究的快速进展, 与压电材料相关 在于其较高的能量密度, 其他的优势包括响应频带 的计算方法与计算软件比较滞后. 综观各文献其计算 宽、线性程度好、分布灵活、载荷作用直接等[1]. 作为 均基于自推导编写的有限元程序, 目前通用有限元软 智能结构的典型代表, 压电陶瓷驱动器在航空航天领 件中, 广泛使用在航空航天领域的 MSC/NASTRAN 还 域的成果大致归属动态与静态控制两个方面[2], 1) 振 没有压电单元, ABAQUS 与 ANASYS 的压电单元比 动与噪声控制: 如F/A-18 的抖振控制, 颤振主动抑止 较单一, 二维单元只有平面应力(平面应变)单元和轴 扩大飞行包线, 涡轮发动机振动控制, 飞机主动噪声 对称单元, 而三维体元用于机翼蒙皮结构模型在单 控制等; 2) 形状控制: 利用压电驱动器改变翼面形状 元数量上不可接受. 另外在单元协调性、通用性方面 以提高气动性能的主动智能机翼, 自适应微型飞行 还远不能达到工程设计的要求. 事实上, 压电驱动材 器, 漩涡诱发控制等. 料除具有普通材料的机械性能外, 其应变驱动性能 与之相应地, 出现了形式各异的压电驱动器与 完全可以由相应的载荷进行比拟, 一方面利用常规 [3,4] 结构设计方案 , 特别是近年来压电纤维复合材料 , 材料单元实现包括非线性在内的各种计算功能 例 的出现, 在驱动能力、驱动指向、柔韧性与可靠性等 如压电性能的非线性;