基于壓電材料的結冰探測與除冰方法.pdf

1、結冰改變飛機氣動外形，影響機翼、進氣道、壓氣機葉片等功能部件的性能，增加飛行不安全因素，嚴重時導致機毀人亡，結冰的在線監(jiān)測、預防和去除方法成為航空領域最重要的研究任務之一。近年來，多種結冰探測方法被提出并獲得長足進步，其中，源自超聲導波無損檢測技術的導波法，以長距離傳輸?shù)牡退p特征成為飛機結冰探測的新選擇，但現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，利用水平剪切波進行探測的導波法對傳感器的要求較高，且對于復雜的機翼蒙皮結構，波傳播狀態(tài)難以保持穩(wěn)定。防除冰方法主要包

2、括機械法、熱力法和化學法，由于熱力法的高能耗、化學法存在污染和腐蝕問題，機械法成為研究的主要方向。
　　本課題針對上述問題，基于壓電材料的正、逆壓電效應，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，通過激發(fā)結構中的Lamb波進行結冰探測、激發(fā)結構振動進行除冰，研究Lamb波在結冰平板結構上的行為、探測用壓電傳感器的設計和數(shù)據(jù)分析方法，研究結構振動對冰層附著界面的作用機制和除冰用壓電驅(qū)動器的設計方法，

3、為建立基于壓電材料的結冰探測和除冰系統(tǒng)奠定基礎。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，定量分析結冰對Lamb波傳播特性的影響，比較了三種不同類型結冰導致的模態(tài)群速度變化。使用有限元法為板上的小范圍結冰建立模型，研究不同結冰厚度、結冰長度對Lamb波模態(tài)信號的影響，以及模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，獲得結冰探測模態(tài)和工作頻率的選擇依據(jù)。
　　分析了水對Lamb波的影響，提出減小水

4、對結冰探測結果的干擾的方法。研究發(fā)現(xiàn)，選擇較低頻率的Lamb波探測結冰能夠獲得較好的綜合效果，其中基階對稱模態(tài)（S0模態(tài)）受到水的影響比基階反對稱模態(tài)（A0模態(tài)）小。
　　研究壓電片與鋁板間的力傳遞關系，分析一般形式的力載荷對導波的激勵，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出的A0和S0模態(tài)強度關系密切，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，以導波激勵效果為目標，根據(jù)已設定的工作頻率值、對應的徑厚比和直徑大小，確定出壓電片厚度。實驗顯示，經(jīng)過設計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，相比設計之前的0.81倍顯著提高，改善了導波的激勵效果。
　　建立冰層的二維受力模型，分析接觸面上的切應力分布，發(fā)現(xiàn)最大切應力出現(xiàn)在結冰的邊緣位置，大小與結構表面的應變有關，在振型節(jié)線附近的切應力最小

6、。提出等功耗激勵原則，使用有限元方法分析壓電片長度和厚度對所激發(fā)模態(tài)振動強度的影響，發(fā)現(xiàn)在理想情況下當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，對該模態(tài)的激振更強。
　　搭建超聲導波結冰探測系統(tǒng)與壓電振動除冰系統(tǒng)試驗臺。在LabVIEW平臺上開發(fā)一套結冰監(jiān)測系統(tǒng)控制軟件。通過實驗，分別對導波結冰探測技術、振動除冰技術理論研究的相關結論進行驗證。針對蒙皮結構上的復雜導波波形，引入結構健康監(jiān)測概念，使用信號處理技術識別復雜

7、的結冰信號，通過定位成像算法將探測結果顯示出來。在此基礎上提出一種波形截斷方法優(yōu)化探測結果，在保證結冰探測準確性的同時將水的干擾減小了90%。最后，鑒于兩種技術在諸多方面的相似性，提出了幾種基于壓電材料的結冰探測與除冰一體化設計的構想。
　　本文對Lamb波的結冰探測能力、其避免液體干擾的能力、探測壓電傳感器設計等問題，以及對振動除冰的原理、振動模態(tài)選擇、除冰壓電傳感器設計和布置等問題的研究成果，具有一定的理論和工程應用價值，可用