電脈沖除冰系統(tǒng)的實驗、理論與設(shè)計研究.pdf

1、電脈沖除冰系統(tǒng)是保障飛機在結(jié)冰氣象條件下安全飛行的一種機械除冰系統(tǒng)，它具有高效節(jié)能、穩(wěn)定性好、通用性強等優(yōu)點。本文采用實驗與理論相結(jié)合的方法，討論了該系統(tǒng)的地面基礎(chǔ)實驗、理論及其相關(guān)計算方法與設(shè)計開發(fā)過程，具體內(nèi)容如下:
　　搭建了電脈沖除冰系統(tǒng)地面實驗臺，進(jìn)行了脈沖電流、磁感應(yīng)強度、瞬態(tài)加速度、結(jié)構(gòu)模態(tài)以及除冰實驗，為系統(tǒng)的理論分析與相關(guān)計算方法提供了論證依據(jù)。引出了系統(tǒng)振動效果的兩種評價指標(biāo)——峰值加速度與位移有效值，并由實驗

2、測量結(jié)果分析了放電電壓、電容、線圈-鋁板間距、邊界條件、線圈外徑、導(dǎo)線厚度對評價指標(biāo)的影響程度。
　　簡化了脈沖電路的分析模型，基于RLC電路分析理論，求解了瞬態(tài)電流函數(shù)，通過比較幾組計算與實驗電流曲線，得到兩者峰值偏差均小于5.2％。由此提出了正弦電流函數(shù)代替實測電流以簡化電路分析的思路。并研究了以衰減電頻率為設(shè)計基礎(chǔ)且以能力需求最小為目標(biāo)的圓盤形脈沖線圈優(yōu)化設(shè)計方法。
　　建立了電脈沖除冰系統(tǒng)鋁板與線圈的二維電磁渦流場分

3、析模型，以瞬態(tài)電流為輸入?yún)⒘?，?shù)值求解了鋁板上的磁感應(yīng)強度，該值與NASA CR-4175所述計算方法相比更吻合實驗結(jié)果。接著分析了電脈沖除冰系統(tǒng)除冰激勵的兩種形式:基于麥克斯韋應(yīng)力法求解的總電磁脈沖力與基于安培力求解的不均勻分布在鋁板上的脈沖壓力。通過加載不同電流曲線計算電磁脈沖壓力，初步論證了利用正弦半波電流計算除冰激勵的可行性。然后討論了鋁板厚度、鋁板電導(dǎo)率、鋁板-線圈間距、電流峰值與電頻率對脈沖激勵的影響，為電脈沖除冰系統(tǒng)設(shè)計除

4、冰激勵的估算提供了重要分析依據(jù)。
　　建立了無冰層覆蓋的鋁板的三維結(jié)構(gòu)有限元分析模型，首先研究了鋁板的固有模態(tài)，所得的前四階固有頻率與實驗值相比其偏差小于3.5％，說明了所建模型的正確性。以不均勻分布的脈沖壓力作為除冰激勵輸入載荷加載在有限元分析模型上求解了鋁板的瞬態(tài)響應(yīng)位移，可減少近似加載總電磁力的計算誤差。并通過比較不同輸入載荷條件下所計算的位移曲線，發(fā)現(xiàn)第一個正向周期的位移曲線基本一致，且位移峰值與實驗之間的偏差均在10％以

5、內(nèi)，再次論證了正弦半波電流簡化分析除冰激勵是可行的。然后討論了電流大小、電頻率、鋁板厚度、鋁板彈性模量、鋁板密度、鋁板長寬比對最大響應(yīng)位移的影響，同時根據(jù)分析結(jié)果提出了將電頻率與系統(tǒng)低階固有頻率按1∶1的關(guān)系設(shè)計系統(tǒng)的思路。
　　研究了除冰實驗與除冰過程的數(shù)值模擬。通過除冰實驗一方面驗證了系統(tǒng)設(shè)計關(guān)系式的正確性，另一方面解決了除冰機理中的一個爭議性問題:高加速度并不是除冰效果的直接影響因素，而形變位移更直觀評價系統(tǒng)的除冰好壞。引入

6、單元生死法編寫了冰層失效分析程序，有效解決了傳統(tǒng)研究中冰層不斷脫落而模型不斷更新的數(shù)值問題，同時得知此次分析采用vonMises最大等效應(yīng)力分析法比Labeas失效準(zhǔn)則模擬計算的除冰范圍更吻合實驗結(jié)果。建立了NACA系列翼型斷面模型，利用冰層失效分析程序研究了不同影響因素的除冰效果，可用于指導(dǎo)電脈沖除冰系統(tǒng)的設(shè)計安裝。
　　以ANSYS為平臺二次開發(fā)了電脈沖除冰系統(tǒng)的設(shè)計程序，包括模態(tài)分析、脈沖線圈設(shè)計、脈沖激勵求解與除冰效果分析