實(shí)驗名稱(chēng)：可變形機翼縮比模主型動(dòng)變形實(shí)驗驗證

研究方向：介紹了可用于低速風(fēng)洞實(shí)驗要求的可變形縮比模型的設計方案，以及粘接MFC致動(dòng)器之后，可變形機翼縮比模型在1500V電壓驅動(dòng)下的主動(dòng)變形仿真計算結果，本章將針對仿真結果，把理論運用于實(shí)踐，在地面實(shí)驗中加載不同大小的電壓，考察縮比模型主動(dòng)變形的情況，作為模擬仿真的驗證，證明仿真計算方法的可行性和可信性。同時(shí)在風(fēng)洞實(shí)驗中探索MFC致動(dòng)器在風(fēng)力載荷情況下的驅動(dòng)性能。

測試設備：電壓放大器、MFC致動(dòng)器、激光位移傳感器、數據采集卡、計算機等。

圖1：地面實(shí)驗系統結構框圖

實(shí)驗過(guò)程：

為了驗證縮比模型的主動(dòng)變形仿真結果，本文將設計機翼縮比模型主動(dòng)變形的地面實(shí)驗。地面實(shí)驗的系統包括軟件系統的設計和硬件系統的設計。

地面實(shí)驗的硬件包括：粘接有45°極化方向MFC致動(dòng)器的可變形機翼縮比模型（包括樹(shù)脂基復合材料制作的蒙皮）、電壓放大器/驅動(dòng)器、控制用計算機、測量縮比模型翼尖變形量的激光位移傳感器、多功能數據采集卡等。在縮比模型地面實(shí)驗中，縮比模型通過(guò)菱形支撐架固定在實(shí)驗平臺上，電壓控制程序是基于軟件開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW實(shí)現的。在LabVIEW軟件上編寫(xiě)好輸出電壓的數字控制信號后，通過(guò)USB數據采集卡轉換為輸出電壓的模擬控制信號（即D/A轉換），將輸出的電壓值傳達給電壓放大器/驅動(dòng)器，放大器將電壓放大200倍后施加到壓電纖維復合材料MFC致動(dòng)器上。當致動(dòng)器被施加電壓以后，在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生形變，變形通過(guò)MFC致動(dòng)器與蒙皮的粘接層傳遞到復合材料蒙皮上，驅使縮比模型機翼產(chǎn)生變形。然后通過(guò)激光位移傳感器記錄縮比模型在其Z方向上的變形量。然后通過(guò)相應的計算，得到扭轉的角度。

實(shí)驗結果：

實(shí)驗過(guò)程中選擇縮比模型翼尖的前緣端點(diǎn)和后緣端點(diǎn)作為位移測量點(diǎn)，測量該兩點(diǎn)在壓電纖維致動(dòng)器驅動(dòng)下的Z向位移，從而得到縮比模型在主動(dòng)變形時(shí)的扭轉角度。實(shí)驗加載電壓方式為手動(dòng)加載，采用階梯式電壓加載方式，從0至1500V，每次增加100V，分別測量Z向位移值，加載后5秒讀取數據，并采用多次測量取平均值的方法。圖2描述了實(shí)驗測得的位移值和引入修正系數后的熱比擬法分析的縮比模型在致動(dòng)器驅動(dòng)下的Z向位移值的對比情況。

圖2：三組MFC同時(shí)施加電壓時(shí)，主動(dòng)變形仿真結果與實(shí)際變形的對比

從圖中可以看出，實(shí)驗測量的變形位移值與仿真分析值吻合較好。因此引入修正系數后的熱比擬法適用于壓電致動(dòng)器驅動(dòng)機翼主動(dòng)變形結構的靜態(tài)位移分析。不過(guò)在1300V之后的實(shí)驗變形位移略大于仿真計算值，可能的原因是由于MFC所承受的電壓載荷趨近于其臨界值時(shí)，與小電壓相比，電場(chǎng)極化程度比電壓的倍數更強更顯著(zhù)，因此驅動(dòng)效果也要強于電壓的倍數關(guān)系。

圖3：MFC致動(dòng)器位置與模型翼尖后緣主動(dòng)變形的關(guān)系

圖3描述了壓電纖維致動(dòng)器的位置與主動(dòng)變形大小的關(guān)系?？梢钥闯?，受到機身為固定端并且使用金屬制造，剛度較大的影響，MFC致動(dòng)器粘接位置離根部位置越遠，其產(chǎn)生的主動(dòng)變形越大。這一點(diǎn)與模擬仿真的結果是相同的。

圖4：電壓加載速度與模型翼尖后緣主動(dòng)變形的關(guān)系（以中間組為例）

在實(shí)驗中電壓的加載方式為呈線(xiàn)性增長(cháng)直到所需電壓值然后穩定不變，圖4描述了在分別使用50V/S，100V/S，150V/S的增長(cháng)速度施加線(xiàn)性電壓，得到電壓加載速度與機翼主動(dòng)變形大小的關(guān)系。從圖中可以看出，加載的速度與變形的大小關(guān)系不大，三種加載速度下的縮比模型變形偏差很小。因此在實(shí)際工程應用中，可以根據其他因素或實(shí)際需要，選擇理想的加載速度。

電壓放大器推薦：ATA-2161

圖：ATA-2161高壓放大器指標參數

本資料由Aigtek安泰電子整理發(fā)布，更多案例及產(chǎn)品詳情請持續關(guān)注我們。西安安泰電子Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線(xiàn)，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。