專利名稱：一種基于面內(nèi)或面外模態(tài)的行波型壓電材料振動防除冰裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于面內(nèi)或面外模態(tài)的行波型壓電材料振動防除冰裝置，尤其適應于飛機防除冰系統(tǒng)、風力機葉片防除冰等，屬于機械振動技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
飛機在某些飛行條件下，迎風部件表面會受到云層中過冷水滴的撞擊而結(jié)冰，從而影響到相關(guān)部件的性能。例如，發(fā)生在機翼前緣的結(jié)冰會引起機翼表面的氣流分離，造成飛機氣動和操作性能的下降；而發(fā)生在發(fā)動機進氣道前緣的結(jié)冰，則會對發(fā)動機的性能以及穩(wěn)定性造成不利影響。因這些部件結(jié)冰而造成的空難不僅是航空史上的，也是人類文明的重大災難。因此，飛機的防除冰一直是各航空大國研究的重要內(nèi)容。風能作為一種儲量巨大且安全、潔凈的能源，在全世界范圍內(nèi)都受到了極大的重視。風力發(fā)電是風能利用的主要形式，然而安裝在寒冷地區(qū)或海上的風力發(fā)電機組，其槳葉的結(jié)冰問題會嚴重影響到系統(tǒng)的性能和安全性，甚至會引發(fā)重大事故。因此，一套可用并且成熟的風力機槳葉防除冰技術(shù)的出現(xiàn)便迫在眉睫。一般來說，風力機槳葉和飛機機翼具有相似的翼型，因此，目前對風力機槳葉的防除冰主要采用一些現(xiàn)有的飛機機翼防除冰方法。針對飛機機翼結(jié)冰提出的防除冰方法有很多種，近些年出現(xiàn)的使用壓電材料的振動防除冰方法，因其對材料的損傷小、能耗低、成本低、維修簡單等優(yōu)點，受到越來越多研究人員的追捧。其中研究較多的是利用壓電材料的逆壓電效應，激發(fā)彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微幅振動，通過在彈性體表面上產(chǎn)生的超聲Lamb 波和水平剪切波將冰除去，但這種方法并未考慮到單位能量下彈性體是否達到最佳振動效果，并且超聲振動的頻率越高產(chǎn)生的應力也就相應減小，甚至不能達到除冰要求。此外超聲波的反射問題也使系統(tǒng)的相應匹配變的復雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種利用目標結(jié)構(gòu)的兩種固有模態(tài)在目標結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生行波的方法，最大限度的利用了目標結(jié)構(gòu)的彈性能，并消除了因單一模態(tài)而產(chǎn)生的節(jié)線，降低了除冰后依然存在殘留冰的可能性。本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案
一種基于面內(nèi)或面外模態(tài)的行波型壓電材料振動防除冰裝置，其特征在于包括激發(fā)第一種振型的第一壓電振子、激發(fā)第二種振型的第二壓電振子、信號發(fā)生器以及功率放大器，所述信號發(fā)生器具有兩個輸出端，其中一個輸出端連接激發(fā)第一種振型的第一壓電振子，另一輸出端連接激發(fā)第二種振型的第二壓電振子，在所述的信號發(fā)生器輸出端與第一壓電振子、第二壓電振子之間均連接有所述的功率放大器，所述的第一振型為目標結(jié)構(gòu)的第一種面內(nèi)振動模態(tài)或第一種面外振動模態(tài)，所述的第二振型為目標結(jié)構(gòu)的第二種面內(nèi)振動模態(tài)或第二種面外振動模態(tài)，所述的第一種面內(nèi)振動模態(tài)和第二種面內(nèi)振動模態(tài)相互疊加后生成在目標結(jié)構(gòu)上行進的面內(nèi)行波或第一種面外振動模態(tài)與第二種面外振動模態(tài)相互疊加后生成在目標結(jié)構(gòu)上行進的面外行波。其中第一振型和第二振型在選取時應避免在目標結(jié)構(gòu)需要除冰的位置上產(chǎn)生重合的節(jié)線，且在選取時以低階較好，從而能夠產(chǎn)生足夠大的表面應力將冰除去。所述信號發(fā)生器輸出端輸出兩個頻率相同，相位相差π /2的正弦電信號。所述第一壓電振子和第二壓電振子具有相同的規(guī)格，其使用的壓電材料的兩端均鍍有金屬電極，其中一端金屬電極粘貼固定在目標結(jié)構(gòu)上并接地，另一端金屬電極與功率放大器的輸出端相連。所述的第一壓電振子和第二壓電振子的粘貼位置為各自所激勵的應變振型的應變最大處，且粘貼在目標結(jié)構(gòu)結(jié)冰表面的背面。同時粘貼位置的選取應避免在激勵其中一種應變振型時，由于兩種振型頻率接近而可能產(chǎn)生的振型疊加現(xiàn)象。壓電振子所使用的壓電材料在選取時應當考慮目標結(jié)構(gòu)材料的機械性能。如果目標結(jié)構(gòu)的剛度較大，那么壓電材料的壓電性要強，且剛度也要較大，否則不易激勵目標結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強度滿足除冰要求的振動。向激發(fā)第一種振型的壓電振子輸入電壓驅(qū)動信號使其產(chǎn)生振動，所述振動激勵出目標結(jié)構(gòu)的第一種面內(nèi)振動模態(tài)或第一種面外振動模態(tài)；向激發(fā)第二種振型的壓電振子輸入電壓驅(qū)動信號使其產(chǎn)生振動，所述振動激勵出目標結(jié)構(gòu)的第二種面內(nèi)振動模態(tài)或第二種面外振動模態(tài)。兩個面內(nèi)或面外振動模態(tài)相互疊加后生成在目標結(jié)構(gòu)上行進的面內(nèi)或面外行波，此面內(nèi)或面外行波能夠在目標結(jié)構(gòu)與冰層的交界面上產(chǎn)生足夠大的應力，從而將冰除去。輸入到兩種壓電振子上的電壓驅(qū)動信號具有相同的頻率，并且所述頻率與目標結(jié)構(gòu)上激勵出的兩種振動模態(tài)的頻率相同，或者介于二者之間。輸入到兩種壓電振子上的電壓驅(qū)動信號相差η/2相位。所述目標結(jié)構(gòu)被激勵出的面內(nèi)或面外兩種振動模態(tài)的頻率要盡可能相同，這可以通過合理調(diào)節(jié)目標結(jié)構(gòu)的幾何或物理特征來實現(xiàn)。所述壓電振子的驅(qū)動電路中可以視具體情況加入匹配電路。對具有容性負載特性的壓電振子進行功率匹配，可以減小無功消耗，提高系統(tǒng)的輸出效率，使系統(tǒng)更加高效的工作。所述功率匹配的理想匹配條件是匹配后電路的電納值為零。本發(fā)明除冰方法，步驟如下第一步、在目標結(jié)構(gòu)上粘貼固定兩組起不同激勵作用的第一壓電振子和第二壓電振子；第二步、在第一壓電振子和第二壓電振子上分別施加一定的電壓驅(qū)動信號，激勵出目標結(jié)構(gòu)的第一種振動模態(tài)和第二種振動模態(tài)，第一種振動模態(tài)和第二種振動模態(tài)疊加后生成在目標結(jié)構(gòu)上行進的面內(nèi)或面外彈性行波。本發(fā)明的有益效果是除冰消耗的能量小，驅(qū)動簡單，維護方便；使用兩種壓電振子激發(fā)出兩種振動模態(tài)并疊加成一個行波，消除了僅依靠單個模態(tài)的振動進行除冰時由于在目標結(jié)構(gòu)上會產(chǎn)生節(jié)線而帶來的除冰殘余現(xiàn)象，使得除冰更干凈徹底。


圖1為壓電振子的組成示意圖。圖2為系統(tǒng)的控制電路原理圖。圖3為為基于面內(nèi)模態(tài)行波激發(fā)的壓電振子粘貼方法示意圖。圖4為激發(fā)面內(nèi)行波所選取的面內(nèi)一階縱振振型Ε1。
圖5為激發(fā)面內(nèi)行波所選取的面內(nèi)二階彎振振型B2。圖6為選取的兩種面內(nèi)工作模態(tài)El和B2的頻率隨矩形板寬度變化的示意圖。圖7為兩種工作模態(tài)的頻率不完全相等時所選取工作頻率的幅值。圖8為兩種工作模態(tài)的頻率不完全相等時所選取工作頻率的相位。圖9為基于面外模態(tài)行波激發(fā)的壓電振子粘貼方法示意圖。圖10為工作模態(tài)BlO的振型應變圖。圖11為工作模態(tài)B06的振型應變圖。圖12為圖10和圖11兩振型相互疊加后生成的行波在某一時刻的應變云圖。其中
1、壓電陶瓷，2、電極，3、信號發(fā)生器，4、電信號Sin(COt), 5、電信號COS(cot)，6、功率放大器，7、第一壓電振子，71、極化方向為正向的第一壓電振子，72、極化方向為負向的第一壓電振子，8、第二壓電振子，81、極化方向為正向的第二壓電振子，82、極化方向為負向的第二壓電振子，9、接地，10、實際用于激發(fā)壓電振子的工作頻率，11、工作模態(tài)E1，12、工作模態(tài) B2，13、工作模態(tài)El的共振頻率，14、工作模態(tài)B2的共振頻率，15、矩形薄鋁板。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，以平面矩形薄鋁板的除冰為例對技術(shù)方案的原理和實施作進一步的詳細描述
本例中使用的是壓電陶瓷材料PZT-8多晶鋯鈦酸鉛鐵電壓電陶瓷。如圖1、圖2所示， 壓電振子采用矩形片的形式，兩端均鍍有銀電極，一端粘貼固定在目標鋁板上并引出導線接地，另一端引出導線與功率放大器的輸出端相連。使用的信號發(fā)生器同時輸出兩個正弦電信號，它們的頻率值相同，大小取決于需要在目標鋁板上激發(fā)出的工作模態(tài)的頻率，并且相位相差η/2。信號的幅值可根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)。兩個正弦電信號分別輸入到兩臺規(guī)格相同的功率放大器中，經(jīng)過功率放大，再輸入到相應的壓電振子上。本例中的鋁板可看作是均勻矩形薄板，其固有振動可分為面內(nèi)和面外振動兩大類，每類又分別具有三種振動模式彎曲、扭轉(zhuǎn)和伸縮，每種模式都有無限多個固有振動模態(tài)，而其他振動形式都可以看成是這三種類型振動模態(tài)的疊加。因此，若想得到所需要的純模態(tài)，必須在薄板上下表面的恰當位置配置壓電振子，通過壓電材料的逆壓電效應對薄板進行應變激振，這是有效激勵出所需模態(tài)的前提。如圖3所示，是基于面內(nèi)模態(tài)的行波生成示意圖。本例選取矩形薄板的一階面內(nèi)縱向伸縮振動模態(tài)El (圖4)和二階面內(nèi)彎曲振動模態(tài)Β2 (圖5)作為生成行波的工作模態(tài)。為了在同一驅(qū)動頻率下同時激勵出這兩個面內(nèi)模態(tài)，生成行波，必須對矩形薄板進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得這兩個面內(nèi)模態(tài)的頻率值盡可能相同。由于在自由邊界條件下矩形板無解析解，因此在具體設(shè)計薄板結(jié)構(gòu)時，可利用商業(yè)有限元分析軟件計算其固有頻率。本例使用的方法是固定薄板的長度和厚度，讓寬度不斷變化，得出兩個面內(nèi)模態(tài)fEl和fB2的一系列頻率值，它們的交點即是所需結(jié)果，見圖6。實際上，所選擇的兩個工作模態(tài)的頻率值很難完全一致，這種情況下用于激勵兩種模態(tài)的電信號的頻率一般選在它們各自振動頻響曲線的交點上，從而獲得一個綜合最佳工作頻率，見圖7。壓電振子應當粘貼在矩形薄板工作模態(tài)的最大應變處附近。根據(jù)圖4、5所示的薄板應變振型，在El應變振型的最大應變區(qū)域，即在薄板表面中心的位置粘貼一塊或多塊壓電振子；在B2應變振型的最大應變區(qū)域，即在薄板同側(cè)表面靠近邊界處、二階彎振的波峰和波谷位置粘貼相同規(guī)格的壓電振子，波峰和波谷處壓電材料的極化方向相反。如圖3所示。對矩形薄板表面中心位置的壓電振子施加sin(cot)的電壓信號，對邊界處的壓電振子施加COS(Ot)的電壓信號，從而保證它們之間π/2的相位差。所有壓電振子粘貼在鋁板表面端的電極接地。本例中所使用的鋁板本身就是導體，因此如果壓電振子和鋁板間的導電性良好，可以直接將鋁板作為一個電極接地。忽略其他模態(tài)對工作模態(tài)的干擾，當在圖3所示的矩形板上施加兩相電壓激勵信號后，矩形板將被激發(fā)出同頻的一階縱振模態(tài)響應和二階彎振模態(tài)響應，它們的位移函數(shù)可用下式表達
\u{ i,t) = sm M ]_v(x,i) = (χ) cos M
式中u和ν分別表示縱向和橫向的質(zhì)點位移，Φη(Α和知(力分別為模態(tài)El和Β2的固有振型函數(shù)。由上式可以看出一階縱振位移響應和二階彎振位移響應在時間上存在π/2的相位差。此外，二階彎振可以近似看作是位移方向垂直于縱軸的質(zhì)點運動，和一階縱振位移方向相互垂直，即質(zhì)點在兩種模態(tài)響應下的位移在空間上亦存在η/2的相位差，所以可形成圓形或橢圓運動軌跡。行波形成之后，矩形板在振動時不再出現(xiàn)明顯的節(jié)線?；诿嫱饽B(tài)的行波生成方法與面內(nèi)模態(tài)的類似，如圖9所示。本例中選取BlO 和Β06兩種面外模態(tài)作為激發(fā)面外行波的工作模態(tài)，見圖10、圖11。在振動力學中，通常用雙下標(mn)描述二維結(jié)構(gòu)的固有振型，正整數(shù)m和η分別表示振型平行于χ和y軸方向的節(jié)線數(shù)目。因此，BlO表示該模態(tài)在y方向形成一個波，B06表示該模態(tài)在χ方向形成三個波加一個半波。類似的也可以選取其他不同的面外模態(tài)組合。采用前面提到的方法，通過逐漸改變矩形薄板的長寬比，找到兩個面外模態(tài)fB10 和fB06—系列頻率值的交點，作為最終的激勵頻率。壓電振子粘貼在所選取工作模態(tài)的最大應變附近，如圖10、如11所示。粘貼在波峰和波谷處的壓電材料極化方向必須相反，對用以激發(fā)BlO和B06模態(tài)的壓電振子分別施加Sin(Ot)和COS(cot)的電壓信號，以保證它們之間η /2的相位差，見圖9。所有壓電振子粘貼在鋁板表面端的電極要接地，本例中可以直接將鋁板接地。對圖9所示的矩形板上的壓電振子施加兩相電壓激勵信號后，矩形板將被激勵出同頻的BlO和Β06兩種面外振動模態(tài)，它們的位移函數(shù)與上述面內(nèi)模態(tài)的類似。顯然，BlO 和Β06兩種振動模態(tài)的位移響應在時間上存在π /2的相位差，此外，由于兩種模態(tài)分別是χ 方向和y方向上的駐波，它們疊加之后可以形成在矩形板上走動的行波。行波形成之后矩形板固定位置上的節(jié)線消失。需要指出，本例中為激勵面外行波而選擇的壓電振子的粘貼位置并非最佳。由于存在誤差或材料不均勻等因素，會發(fā)生矩形板上激勵出的A、B兩相工作模態(tài)的頻率不一致現(xiàn)象，然而從信號發(fā)生器中輸出的驅(qū)動信號的頻率卻是唯一的，即實際驅(qū)動信號往往是在 A、B兩相模態(tài)的附近激勵，這將使兩相模態(tài)相互影響，導致二者都不純，從而得不出純行波。 若想改善這一情況，得到較純的兩相模態(tài)，可以使用一些近頻振型分離技術(shù)。例如改變激振點位置法，把激振點取在B相模態(tài)的節(jié)線上，但不在A相模態(tài)的節(jié)線上，就可以激發(fā)出較純的A相模態(tài)。此外還有一些其他的方法。值得注意的是，如果兩相模態(tài)的振動幅值不相等，將會導致行波畸變。若想避免這一狀況，可以在功率放大器的輸出端調(diào)節(jié)兩相驅(qū)動信號的電壓值，從而改變所激發(fā)出的兩相模態(tài)的幅值使其相等。調(diào)節(jié)兩相模態(tài)的頻率使其一致的方法不僅限于本例中所使用的調(diào)節(jié)目標結(jié)構(gòu)尺寸法，如果條件允許，還可以使用在目標結(jié)構(gòu)的適當位置上添加質(zhì)量、剛度或打孔等其他方法。壓電振子具有容性負載特性，為了使振動除冰系統(tǒng)能夠高效的工作，在驅(qū)動電路和壓電振子之間可以考慮加入匹配電路。所述匹配電路主要起到功率匹配作用，對作為容性負載的壓電振子進行功率匹配可以減小無功消耗，提高系統(tǒng)的輸出效率。壓電振子的理想匹配條件是匹配后電路的電納值為零。此外，壓電振子所處環(huán)境的溫度變化、壓電振子所附著目標結(jié)構(gòu)上的結(jié)冰量的變化等，也會對電路參數(shù)產(chǎn)生一定的影響，若對系統(tǒng)工作頻率的要求較高，可以考慮加入動態(tài)匹配電路。以上所述僅是本發(fā)明的一種實施例，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，例如改變壓電振子的形狀、數(shù)量和所使用的材料，改變?yōu)榧畛龊线m的行波而選取的工作模態(tài)，等等，這些改進和潤飾也應視為在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于面內(nèi)或面外模態(tài)的行波型壓電材料振動防除冰裝置，其特征在于包括激發(fā)第一種振型的第一壓電振子、激發(fā)第二種振型的第二壓電振子、信號發(fā)生器以及功率放大器，所述信號發(fā)生器具有兩個輸出端，其中一個輸出端連接激發(fā)第一種振型的第一壓電振子，另一輸出端連接激發(fā)第二種振型的第二壓電振子，在所述的信號發(fā)生器輸出端與第一壓電振子、第二壓電振子之間均連接有所述的功率放大器，所述的第一振型為目標結(jié)構(gòu)的第一種面內(nèi)振動模態(tài)或第一種面外振動模態(tài)，所述的第二振型為目標結(jié)構(gòu)的第二種面內(nèi)振動模態(tài)或第二種面外振動模態(tài)，所述的第一種面內(nèi)振動模態(tài)和第二種面內(nèi)振動模態(tài)相互疊加后生成在目標結(jié)構(gòu)上行進的面內(nèi)行波或第一種面外振動模態(tài)與第二種面外振動模態(tài)相互疊加后生成在目標結(jié)構(gòu)上行進的面外行波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于面內(nèi)或面外模態(tài)的行波型壓電材料振動防除冰裝置，其特征在于所述信號發(fā)生器輸出端輸出兩個頻率相同，相位相差η/2的正弦電信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于面內(nèi)或面外模態(tài)的行波型壓電材料振動防除冰裝置，其特征在于所述第一壓電振子和第二壓電振子具有相同的規(guī)格，其兩端均鍍有金屬電極，一端的金屬電極粘貼固定在目標結(jié)構(gòu)上并接地，另一端的金屬電極與功率放大器的輸出端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于面內(nèi)或面外模態(tài)的行波型壓電材料振動防除冰裝置，其特征在于所述壓電振子使用的壓電材料的兩側(cè)均鍍有金屬電極，所述金屬電極一側(cè)與功率放大器輸出端相連，金屬電極的另一側(cè)粘貼固定在目標結(jié)構(gòu)上并接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于面內(nèi)或面外模態(tài)的行波型壓電材料振動防除冰裝置，其特征在于所述的第一壓電振子和第二壓電振子的粘貼位置為應變振型的應變最大處，且粘貼在目標結(jié)構(gòu)結(jié)冰表面的背面。
6.一種采用權(quán)利要求1所述的基于面內(nèi)或面外模態(tài)的行波型壓電材料振動防除冰裝置的除冰方法，其特征在于步驟如下第一步、在目標結(jié)構(gòu)上粘貼固定兩組起不同激勵作用的第一壓電振子和第二壓電振子；第二步、在第一壓電振子和第二壓電振子上分別施加一定的電壓驅(qū)動信號，激勵出目標結(jié)構(gòu)的第一種振動模態(tài)和第二種振動模態(tài)，第一種振動模態(tài)和第二種振動模態(tài)疊加后生成在目標結(jié)構(gòu)上行進的面內(nèi)或面外彈性行波。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于面內(nèi)或面外模態(tài)的行波型壓電材料振動防除冰裝置及方法，適用于飛機機翼前緣、發(fā)動機進氣道前緣以及風力機葉片的防除冰，裝置包括激發(fā)第一種振型的第一壓電振子、激發(fā)第二種振型的第二壓電振子、信號發(fā)生器以及功率放大器。本發(fā)明在目標結(jié)構(gòu)上粘貼固定兩組起不同激勵作用的壓電振子，然后在兩組壓電振子上分別施加一定的電壓驅(qū)動信號，激勵出目標結(jié)構(gòu)的兩個特定振動模態(tài)，它們疊加后生成在目標結(jié)構(gòu)上行進的面內(nèi)或面外彈性行波。本發(fā)明有效避免了目標結(jié)構(gòu)在振動時由于節(jié)線的存在而出現(xiàn)除冰不完全區(qū)域，并且能耗低，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。
文檔編號H02G7/16GK102570368SQ20121001302
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者朱春玲, 李清英, 白天 申請人:南京航空航天大學