實(shí)驗(yàn)名稱：可變形機(jī)翼縮比模型主動(dòng)變形實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

研究方向：介紹了可用于低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)要求的可變形縮比模型的設(shè)計(jì)方案，以及粘接MFC致動(dòng)器之后，可變形機(jī)翼縮比模型在1500V電壓驅(qū)動(dòng)下的主動(dòng)變形仿真計(jì)算結(jié)果，本章將針對(duì)仿真結(jié)果，把理論運(yùn)用于實(shí)踐，在地面實(shí)驗(yàn)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(yàn)證，證明仿真計(jì)算方法的可行性和可信性。同時(shí)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中探索MFC致動(dòng)器在風(fēng)力載荷情況下的驅(qū)動(dòng)性能。

測(cè)試設(shè)備：電壓放大器、MFC致動(dòng)器、激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等。

圖1：地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

實(shí)驗(yàn)過程：

為了驗(yàn)證縮比模型的主動(dòng)變形仿真結(jié)果，本文將設(shè)計(jì)機(jī)翼縮比模型主動(dòng)變形的地面實(shí)驗(yàn)。地面實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)包括軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

地面實(shí)驗(yàn)的硬件包括：粘接有45°極化方向MFC致動(dòng)器的可變形機(jī)翼縮比模型（包括樹脂基復(fù)合材料制作的蒙皮）、電壓放大器/驅(qū)動(dòng)器、控制用計(jì)算機(jī)、測(cè)量縮比模型翼尖變形量的激光位移傳感器、多功能數(shù)據(jù)采集卡等。在縮比模型地面實(shí)驗(yàn)中，縮比模型通過菱形支撐架固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，電壓控制程序是基于軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW實(shí)現(xiàn)的。在LabVIEW軟件上編寫好輸出電壓的數(shù)字控制信號(hào)后，通過USB數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為輸出電壓的模擬控制信號(hào)（即D/A轉(zhuǎn)換），將輸出的電壓值傳達(dá)給電壓放大器/驅(qū)動(dòng)器，放大器將電壓放大200倍后施加到壓電纖維復(fù)合材料MFC致動(dòng)器上。當(dāng)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MFC致動(dòng)器與蒙皮的粘接層傳遞到復(fù)合材料蒙皮上，驅(qū)使縮比模型機(jī)翼產(chǎn)生變形。然后通過激光位移傳感器記錄縮比模型在其Z方向上的變形量。然后通過相應(yīng)的計(jì)算，得到扭轉(zhuǎn)的角度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)過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(cè)量點(diǎn)，測(cè)量該兩點(diǎn)在壓電纖維致動(dòng)器驅(qū)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(zhuǎn)角度。實(shí)驗(yàn)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(cè)量Z向位移值，加載后5秒讀取數(shù)據(jù)，并采用多次測(cè)量取平均值的方法。圖2描述了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的位移值和引入修正系數(shù)后的熱比擬法分析的縮比模型在致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)下的Z向位移值的對(duì)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(jié)果與實(shí)際變形的對(duì)比

從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shù)后的熱比擬法適用于壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)翼主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)的靜態(tài)位移分析。不過在1300V之后的實(shí)驗(yàn)變形位移略大于仿真計(jì)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(shù)更強(qiáng)更顯著，因此驅(qū)動(dòng)效果也要強(qiáng)于電壓的倍數(shù)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。可以看出，受到機(jī)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(yuǎn)，其產(chǎn)生的主動(dòng)變形越大。這一點(diǎn)與模擬仿真的結(jié)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(yàn)中電壓的加載方式為呈線性增長直到所需電壓值然后穩(wěn)定不變，圖4描述了在分別使用50V/S，100V/S，150V/S的增長速度施加線性電壓，得到電壓加載速度與機(jī)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(yīng)用中，可以根據(jù)其他因素或?qū)嶋H需要，選擇理想的加載速度。

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審核編輯 黃宇