基于壓電材料的結(jié)冰探測與除冰方法.pdf

1、結(jié)冰改變飛機(jī)氣動(dòng)外形，影響機(jī)翼、進(jìn)氣道、壓氣機(jī)葉片等功能部件的性能，增加飛行不安全因素，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致機(jī)毀人亡，結(jié)冰的在線監(jiān)測、預(yù)防和去除方法成為航空領(lǐng)域最重要的研究任務(wù)之一。近年來，多種結(jié)冰探測方法被提出并獲得長足進(jìn)步，其中，源自超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)的導(dǎo)波法，以長距離傳輸?shù)牡退p特征成為飛機(jī)結(jié)冰探測的新選擇，但現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，利用水平剪切波進(jìn)行探測的導(dǎo)波法對(duì)傳感器的要求較高，且對(duì)于復(fù)雜的機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)，波傳播狀態(tài)難以保持穩(wěn)定。防除冰方法主要包

2、括機(jī)械法、熱力法和化學(xué)法，由于熱力法的高能耗、化學(xué)法存在污染和腐蝕問題，機(jī)械法成為研究的主要方向。
　　本課題針對(duì)上述問題，基于壓電材料的正、逆壓電效應(yīng)，綜合考慮壓電材料在傳感和激振兩方面的性能、功率密度大且易于與系統(tǒng)集成的特點(diǎn)，通過激發(fā)結(jié)構(gòu)中的Lamb波進(jìn)行結(jié)冰探測、激發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行除冰，研究Lamb波在結(jié)冰平板結(jié)構(gòu)上的行為、探測用壓電傳感器的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析方法，研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)冰層附著界面的作用機(jī)制和除冰用壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，

3、為建立基于壓電材料的結(jié)冰探測和除冰系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容如下：
　　使用全局矩陣法和半解析有限元法，研究Lamb波在單層自由板和多層介質(zhì)中的傳播，定量分析結(jié)冰對(duì)Lamb波傳播特性的影響，比較了三種不同類型結(jié)冰導(dǎo)致的模態(tài)群速度變化。使用有限元法為板上的小范圍結(jié)冰建立模型，研究不同結(jié)冰厚度、結(jié)冰長度對(duì)Lamb波模態(tài)信號(hào)的影響，以及模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，獲得結(jié)冰探測模態(tài)和工作頻率的選擇依據(jù)。
　　分析了水對(duì)Lamb波的影響，提出減小水

4、對(duì)結(jié)冰探測結(jié)果的干擾的方法。研究發(fā)現(xiàn)，選擇較低頻率的Lamb波探測結(jié)冰能夠獲得較好的綜合效果，其中基階對(duì)稱模態(tài)（S0模態(tài)）受到水的影響比基階反對(duì)稱模態(tài)（A0模態(tài)）小。
　　研究壓電片與鋁板間的力傳遞關(guān)系，分析一般形式的力載荷對(duì)導(dǎo)波的激勵(lì)，發(fā)現(xiàn)在低頻下壓電圓片只能在鋁板中激發(fā)出A0和S0兩種Lamb波模態(tài)，壓電片直徑與其激勵(lì)出的A0和S0模態(tài)強(qiáng)度關(guān)系密切，通過調(diào)節(jié)直徑大小可以最大程度的激發(fā)出S0模態(tài)，同時(shí)削弱A0模態(tài)。建立了壓電片在

5、不同徑厚比下的模態(tài)諧振頻率譜求解方法，以導(dǎo)波激勵(lì)效果為目標(biāo)，根據(jù)已設(shè)定的工作頻率值、對(duì)應(yīng)的徑厚比和直徑大小，確定出壓電片厚度。實(shí)驗(yàn)顯示，經(jīng)過設(shè)計(jì)的壓電片其諧振頻率與探測頻率相差僅6.7％，而產(chǎn)生的S0模態(tài)的幅值是A0模態(tài)的1.19倍，相比設(shè)計(jì)之前的0.81倍顯著提高，改善了導(dǎo)波的激勵(lì)效果。
　　建立冰層的二維受力模型，分析接觸面上的切應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)最大切應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)冰的邊緣位置，大小與結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變有關(guān)，在振型節(jié)線附近的切應(yīng)力最小

6、。提出等功耗激勵(lì)原則，使用有限元方法分析壓電片長度和厚度對(duì)所激發(fā)模態(tài)振動(dòng)強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)在理想情況下當(dāng)壓電片長度約為某模態(tài)振型半波長的奇數(shù)倍，且厚度較薄時(shí)，對(duì)該模態(tài)的激振更強(qiáng)。
　　搭建超聲導(dǎo)波結(jié)冰探測系統(tǒng)與壓電振動(dòng)除冰系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。在LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)一套結(jié)冰監(jiān)測系統(tǒng)控制軟件。通過實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)導(dǎo)波結(jié)冰探測技術(shù)、振動(dòng)除冰技術(shù)理論研究的相關(guān)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)蒙皮結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜導(dǎo)波波形，引入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概念，使用信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別復(fù)雜

7、的結(jié)冰信號(hào)，通過定位成像算法將探測結(jié)果顯示出來。在此基礎(chǔ)上提出一種波形截?cái)喾椒▋?yōu)化探測結(jié)果，在保證結(jié)冰探測準(zhǔn)確性的同時(shí)將水的干擾減小了90%。最后，鑒于兩種技術(shù)在諸多方面的相似性，提出了幾種基于壓電材料的結(jié)冰探測與除冰一體化設(shè)計(jì)的構(gòu)想。
　　本文對(duì)Lamb波的結(jié)冰探測能力、其避免液體干擾的能力、探測壓電傳感器設(shè)計(jì)等問題，以及對(duì)振動(dòng)除冰的原理、振動(dòng)模態(tài)選擇、除冰壓電傳感器設(shè)計(jì)和布置等問題的研究成果，具有一定的理論和工程應(yīng)用價(jià)值，可用