压电纤维复合材料自适应后缘结构设计及地分析

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1、国内图书分类号：V224+.5学校代码：10213国际图书分类号：530密级：公开工学硕士学位论文压电纤维复合材料自适应后缘结构设计与分析硕士研究生：李承泽导师：尹维龙副教授申请学位：工学硕士学科：工程力学所在单位：航天学院答辩日期：2014年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedIndex:V224+.5U.D.C:530DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDANALYSISOFTHEADAPTIVETRAILINGEDGEACTUATEDBYPIEZOEL

2、ECTRICFIBERCOMPOSITECandidate：ChengzeLiSupervisor：AssociateProf.WeilongYinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：EngineeringMechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2014Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据哈尔滨工业大学工学硕士

3、学位论文摘要传统的自适应机翼采用机械式的结构设计和驱动方式，存在着增重大、结构复杂等缺陷。将压电材料应用于智能自适应机翼有着诸多优点，如结构形式简单、重量较传统机械式设计大大降低、能耗低等。MFC（Marco-FiberComposite）是一种压电纤维复合材料，由压电纤维相、树脂相以及交叉指形电极构成，具有优异的作动和传感性能。然而，将MFC应用于自适应机翼主要存在着两个问题。其一是MFC需要较高的工作电压，而且工作电压范围较宽。其二是压电材料由于驱动位移较小，为取得较好的变形效果，选择较为柔软的薄板结构最有利于发挥MFC的作动性能，然而结构又

4、必须具有足够的刚度承受飞机飞行中的气动载荷。这是使用压电材料进行自适应机翼结构设计的最主要难点。本文采用有限元和试验方法，设计并分析了一种基于MFC的压电自适应机翼后缘结构。由于自适应后缘结构的弯曲程度通常较大，基于“小变形”假定的力学理论不再适用。因此本文在第二章论述了有限元分析中对结构几何非线性问题的数学建模方法及求解方式。压电纤维复合材料是非均匀的材料，直接对其建模进行有限元分析较为困难。本文第三章研究了压电材料在有限元分析中的建模和分析手段，并将压电复合材料等效为具有同等力学和电学性能的压电陶瓷材料进行分析，在此基础上确立了对含压电材料作

5、动器的智能结构的分析方法。本文第四章设计了基于MFC的压电自适应柔性后缘结构，主要包括结构形式和压电作动器的选择、压电作动器的工作电路的设计、结构的控制策略等。接着采用有限元方法对设计的结构进行了仿真计算。最后讨论了将压电纤维复合材料应用于自适应机翼的可行性并提出了进一步的改进方案。关键词：压电纤维复合材料；柔性后缘；自适应机翼；几何非线性有限元-I-万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAdaptivewingweredesignedbypurelymechanicalsolutionswithtraditionalactuat

6、ors,haveadditionalmechanicalcomplexityandweight.ChoosePiezoelectricmaterialsasthemorphingactuatorsimplementedinadaptivewinghasmanyadvantages,suchassimplerstructureforms,lighterstructureweight,lowerpowerconsumption,etc.MFC(MarcoFibercomposite)isapiezoelectricfibercompositemate

7、rialconsistsofpiezoelectricfibers,resinphaseandinterdigitatedelectrodestructure,hasexcellentactuatingandsensingproperties.However,therearestilltwomainchallengesshouldbesolved.Firstly,MFCrequirehighvoltageinputandwideoperationvoltagerange.Secondly,inordertoachievegreaterdeform

8、ation,softerandthinnersheetstructureshouldbechosenduetothesmallactua