一种基于试验修正的压电作动器作用效果模拟方法
【专利摘要】本发明提供一种基于试验修正的压电作动器作用效果模拟方法，解决以压电作动器为控制作动器的振动主动控制技术的仿真建模和控制律设计问题。本发明的技术方案包括：进行仿真激励试验，以激励信号施加于压电作动器，激励该复合材料机翼动力学模型，得到测点的响应；进行地面激振试验，以与仿真激振试验相同的激励信号施加于压电作动器，激励该复合材料机翼，得到测点的响应；以地面激振试验测点的响应与仿真试验与之相同的测点响应对比，修正压电作用力等效弯矩的值，从而得到MFC压电作动器的作用力值。本发明的优点是：所有的仿真实验结果和地面试验结果的对比分析表明，该技术正确有效，与地面实验结果能够相匹配。
【专利说明】一种基于试验修正的压电作动器作用效果模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航空应用领域，涉及一种基于试验修正的压电作动器作用效果模拟方法。
【背景技术】
[0002]压电作动器的建模是一项非常重要的技术，尤其对于以压电作动器为控制作动器的振动主动控制系统来说至关重要。压电作动器的作用效果，它所能输出的能量决定了振动主动控制系统中控制律参数设置大小范围。
[0003]压电作动器种类繁多，有压电陶瓷PZT (Lead Zirconate Titanate，PZT)作动器、AFC (Active Fiber Composite, AFC)压电作动器和 MFC (Macro Fiber Composites, MFC)压电作动器。MFC压电作动器是近年来发展较快的一种新型精密作动器，具有体积小、作用力大、精度高和频响快等优点，已在精密仪器、自动控制、航空航天、微装备和精密定位等领域得到实际应用。它克服了压电陶瓷PZT易碎的缺陷以及压电作动器AFC驱动电压大的缺陷。
[0004]MFC压电作动器为薄片状，可粘贴在结构的表面，或嵌入层合复合材料结构中，通过诱导应变的形式，对结构进行驱动，不会对结构气动外形造成明显影响，不会影响待激励结构的气动性能指标。压电作动器本身质量非常小，单个压电片的质量仅1.0?2.0g，对粘贴结构的质量影响有限，不会对结构刚度造成影响。
[0005]早期用于模拟压电作动器作用效果的热弹比拟技术只适用PZT (Lead ZirconateTitanate, PZT)这种压电材料。对于一般结构材料，当温度变化时,会产生变形。对于压电材料，当施加电场时结构也会发生变形。热弹比拟技术正是基于这两者之间的相似性，借助有限元分析软件中热力学分析模块，将温度的变化等效为施加的电压，将材料的热膨胀系数与压电材料的压电应变常数进行转换最终精确建立的压电作动器的模型。热弹比拟理论是基于经典的层合板理论，该理论已不适用与新型的压电材料MFC (Macro FiberComposites, MFC),这种压电材料是由PZT、聚酰亚胺树脂和环氧树脂材料铺层而成。美国M.Salim Azzouz等人利用不等参三节点MIN6薄板单元建立MFC的有限元模型,该方法较为复杂，不同的模型需要编写不同的有限元模型程序，工程适用性较差。
[0006]所以，现有的压电作用力模拟技术或者已不适用于MFC或者工程适用性较差。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是:提供一种基于试验修正的压电作动器作用效果模拟方法，解决以压电作动器为控制作动器的振动主动控制技术的仿真建模和控制律设计问题。
[0008]本发明的技术方案是:一种基于试验修正的压电作动器作用效果模拟方法，包括:
[0009]通过弯矩来模拟MFC压电作动器作用力，得到作用力等效弯矩；
[0010]建立有限元模型，将作用力等效弯矩施加在有限元模型中模拟压电作用力，得到压电作用力效果，施加位置与实际粘贴压电作动器位置相符；
[0011]通过复合材料机翼模态试验得到复合材料机翼动力学参数，并以该试验得到的复合材料机翼动力学参数修正有限元模型；
[0012]从修正的有限元模型得到带有压电作动器的复合材料机翼动力学参数，根据所述复合材料机翼动力学参数和压电作用力效果建立复合材料机翼动力学模型；
[0013]进行仿真激励试验，以激励信号施加于压电作动器，激励该复合材料机翼动力学模型，得到测点的响应；
[0014]进行地面激振试验，以与仿真激振试验相同的激励信号施加于压电作动器，激励该复合材料机翼，得到测点的响应；
[0015]以地面激振试验测点的响应与仿真试验与之相同的测点响应对比，修正压电作用力等效弯矩的值，从而得到MFC压电作动器的作用力值。
[0016]本发明的优点是:所有的仿真实验结果和地面试验结果的对比分析表明，该技术正确有效，与地面实验结果能够相匹配。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明基于试验修正的压电作用效果模拟基本原理图。
[0018]图2为本发明压电作动器实际粘贴位置。
[0019]图3为本发明有限元模型中压电作动器的作用位置。
[0020]图4为本发明地面试验配重杆前端测点I和配重杆后端测点2示意图。
[0021]图5为本发明一阶模态频率激励下测点I最大位移随驱动电压变化曲线。
[0022]图6为本发明一阶模态频率激励下测点2最大位移随驱动电压变化曲线。
【具体实施方式】
[0023]技术原理
[0024]基于试验修正的压电作动器作用效果模拟技术的技术原理是:以带有压电作动器的全复合材料机翼有限元模型为基础，建立带有压电作动器的全复合材料机翼动力学模型，将该动力学模型仿真激励实验结果与实际结构地面试验激励结果进行对比，修正动力学模型中压电作用力弯矩值，从而得到压电作动器的作用效果。图1所示为基于试验修正的压电作用效果模拟基本原理。
[0025]压电作动器由压电纤维、环氧树脂和聚酰亚胺树脂制成。压电作动器粘贴在全复合材料机翼的翼面上，工作时当MFC压电作动器接收到放大器给它发送来的以一定规律变化的电压信号以后，压电作动器就会以一定的规律收缩或扩张，从而对全复合材料机翼进行激励和控制。
[0026]基于试验修正的压电作动器作用效果模拟技术是针对复合材料机翼振动主动控制技术需求展开的，目的是寻找出一种有效地压电作动器作用力模拟方法，为振动主动控制中的仿真实验建模奠定基础。基于试验修正的压电作动器作用效果模拟技术的核心为压电作用力模拟。本技术以弯矩来代替压电作用力从而实现了模拟。为了获得弯矩准确的大小，建立了带有压电作动器的复合材料机翼动力学模型，并进行了复合材料机翼地面激励试验。研究主要包括仿真模型实验研究和地面试验研究两部分内容。仿真模型实验研究包括:作用力等效方法、压电作用力在有限元模型中的模拟方法、带有压电作动器的复合材料机翼动力学建模和动力学仿真模型激励实验；试验研究包括:有限元模型验证试验、模态参数测量试验和MFC激励效果试验等内容。
[0027]本发明提供的一种基于试验修正的压电作动器作用效果模拟方法，包括:
[0028]S101、通过弯矩来模拟MFC压电作动器作用力，得到作用力等效弯矩。
[0029]MFC压电作动器(Macro Fiber Composite,简称MFC)是近年来发展较快的一种新型精密作动器，具有以下优点=MFC为薄片状，可粘贴在金属结构的表面，或嵌入层合复合材料结构中，通过诱导应变的形式，对结构进行驱动，不会对结构气动外形造成明显影响；MFC本身质量非常小，对粘贴结构的质量影响有限，不会对结构刚度造成影响；MFC工作状态不受飞行状态限制，对工作环境适应性强，反应速度快，滞后效应小；通过对MFC位置的优化设计可实现对不同结构模态的有效激励；MFC压电作动器工作频率范围宽，激励信号可选，激励频率范围可调。 [0030]压电作动器的工作原理是这样的，当压电作动器受电场作用后，会发生变形伸长或者缩短，将压电作动器粘贴在结构表面时，由于压电作动器的变形，就会对它所粘贴的结构表面产生一种作用力。本技术通过利用一定大小的弯矩来模拟MFC压电作动器产生的这种作用力，弯矩的方向和压电片作动器中压电材料的方向一致。该作用力等效弯矩并不是一个恒定的值，在不同的电压范围内该作用力等效弯矩值是不一样的。
[0031]S102、建立有限元模型，将作用力等效弯矩施加在有限元模型中模拟压电作用力，得到压电作用力效果，施加位置与实际粘贴压电作动器位置基本相符。
[0032]本技术将采用利用弯矩近似代替压电作动器的作用力来实现压电作动器作用力模拟。将压电作动器等效弯矩施加在与实际粘贴位置最接近的有限元单元节点处使得作用面积与实际基本相当。将产生的作用力等效到压电作动器的四个角上，分别施加在有限元模型的四个节点上。图2所示为压电作动器在全复合材料机翼上的粘贴位置，图3矩形区域为有限元模型中选取的压电作动器作用面积。弯矩就施加在矩形区域的四个角上。由于有限元模型中载荷只能施加在有限元节点上，无法使得区域与真实的粘贴面积完全相符，这可能会带来一定的误差。而通过地面激励试验数据对作用力修正后，会减小这个误差。
[0033]S103、通过复合材料机翼模态试验得到复合材料机翼动力学参数，并以该试验得到的复合材料机翼动力学参数修正有限元模型。
[0034]地面模态试验主要有两方面作用，一方面验证复合材料机翼有限元模型与生产出来的复合材料机翼动力学特性是否相同，另一方面通过地面试验得到结构的阻尼特性，从而更加准确的建立动力学模型。经过该试验验证了有限元模型和生产出来的全复合材料机翼动力学特性完全相同，仿真实验结果可以同地面试验结果进行对比。通过试验的到了该复合材料机翼一阶模态阻尼为0.23%。
[0035]S104、从修正的有限元模型得到带有压电作动器的复合材料机翼动力学参数，根据所述复合材料机翼动力学参数和压电作用力效果建立复合材料机翼动力学模型。
[0036]首先建立带有压电作动器的复合材料机翼振动微分方程。借助有限元软件Patran&Nastran并结合DAMP语言程序得到全复合材料机翼有限元模型的质量矩阵k和刚度矩阵m。通过地面模态试验得到全复合材料机翼一阶模态阻尼为ξ”取阻尼矩阵
C= a m+ β k，结合《 + βωλ = !(OiCi,其中ω ^为结构第i阶固有频率，ξ ^为结构第i阶模态阻尼，经过计算最终得到阻尼矩阵。
[0037]由有限元软件Patran&Nastran计算得到在单位电压作用下压电片使得有限元结构发生的位移振型。有了上述全复合材料机翼的结构特征参数质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵即可得到结构的振动微分方程。
[0038]利用Patran&Nastran的S0L103模块分析得到有限元模型的前十阶模态振型矩阵和频率。为简化模型，降低方程维数，将该方程转化到模态坐标下，得到模态坐标下的振动微分方程。
[0039]将该微分方程经过一定的转换得到状态空间方程，借助MATLAB中的Simulink仿真平台即可进行仿真实验。
[0040]S105、进行仿真激励试验，以激励信号施加于压电作动器，激励该复合材料机翼动力学模型，得到测点的响应。
[0041]以初始建立的带有压电作动器的复合材料机翼动力学模型进行仿真激励实验。用I号和2号压电作动器MFC进行激励，采用的正弦信号频率为结构一阶固有频率，幅值为30V。进一步增加激励信号幅值，激励信号幅值分别取60V、90V、120V、150V、180V、210V、240V、270V和300V。记录 不同幅值激励下各测点响应。
[0042]S106、进行地面激振试验，以与仿真激振试验相同的激励信号施加于压电作动器，激励该复合材料机翼，得到测点的响应。
[0043]通过试验获取MFC压电作动器的动态工作特性，检验不同幅值正弦驱动电压下，MFC压电作动器对复合材料机翼的激励情况，获得响应。
[0044]用I号和2号MFC压电作动器进行激励。采用的正弦信号频率为结构一阶固有频率，激励信号幅值分别取 30￥、60￥、90￥、120￥、150￥、180￥、210￥、240￥、270￥和 300V。用激光位移传感器测试复合材料机翼配重杆前端和后端位移响应。随驱动电压幅值的增大，响应输出的稳态幅值也在不断增加。
[0045]图4所示为地面激励试验中配重杆前端测点I和配重杆后端测点2的示意图。
[0046]S107、以地面激振试验测点的响应与仿真试验与之相同的测点响应对比，修正压电作用力等效弯矩的值，从而得到MFC压电作动器的作用力值。
[0047]将地面试验中测得的测点I的响应与仿真结果对比，发现初始动力学模型中的作用力等效弯矩过大，调整压电作动器作用力等效弯矩，再次进行仿真实验，反复迭代，不断修正作用力等效弯矩值。
[0048]分析地面激励试验结果，发现结构的响应位移与压电作动器上施加的电压并不是完全线性变化的。也就是说在不同施加电压范围下，IV电压增量所对应的压电作动器作用力大小是不同的。根据试验结果，以及压电作动器施加电压范围，将压电作动器作用力分为四个线性区，分别为OV到30V、30V到90V、90V到150V和150V到300V。
[0049]将仿真实验结果与地面试验结果进行对比，将作用力等效弯矩分为四个区间，分别对四个区间的作用力等效弯矩进行修正，分别得到每个区间的作用力。
[0050]最终得到配重杆前端测点I在不同电压信号作用下的仿真响应结果，如图5所示黑色方形点。图5为仿真实验和地面试验结果对比。虚线为利用试验数据线性拟合的直线，黑色实线利用仿真实验数据线性拟合的，从图中可以看不出两条直线基本重合。
[0051]经过上述最终得到压电作动器在OV到30V之间电压作用下，在每个结点产生的弯矩为6.0e-5N*M，在30V到90V之间电压作用下每个结点产生的弯矩为4.8e_5N*M，在90V到150V之间电压作用下每个结点产生的弯矩为3.6e-5N*M，在90V到150V之间电压作用下每个结点产生的弯矩为3.0e-5N*M。
[0052]接下来再对修正的作用力进行验证。以配重杆后端测点2的响应位移进行验证，将仿真结果与地面试验结果对比。从两者对比结果可看出，当利用频率为一阶固有模态频率的正弦信号激励时，仿真模型与地面试验结果较为匹配。从图5和6中可以看，经过试验数据修正后，仿真激励试验和地面激励试验效果基本一致，这说明本项技术模拟出了压电作用力的作用效果，实现了该项技术的目的。
【权利要求】
1.一种基于试验修正的压电作动器作用效果模拟方法，其特征在于，包括: 通过弯矩来模拟MFC压电作动器作用力，得到作用力等效弯矩； 建立有限元模型，将作用力等效弯矩施加在有限元模型中模拟压电作用力，得到压电作用力效果，施加位置与实际粘贴压电作动器位置相符； 通过复合材料机翼模态试验得到复合材料机翼动力学参数，并以该试验得到的复合材料机翼动力学参数修正有限元模型； 从修正的有限元模型得到带有压电作动器的复合材料机翼动力学参数，根据所述复合材料机翼动力学参数和压电作用力效果建立复合材料机翼动力学模型； 进行仿真激励试验，以激励信号施加于压电作动器，激励该复合材料机翼动力学模型，得到测点的响应； 进行地面激振试验，以与仿真激振试验相同的激励信号施加于压电作动器，激励该复合材料机翼，得到测点的响应； 以地面激振试验测点的响应与仿真试验测点的响应对比，修正压电作用力等效弯矩的值，从而得到MFC压电作动器的作用力值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过弯矩来模拟MFC压电作动器作用力，得到作用力等效弯矩的步骤具体为: 将作用力等效弯矩分为四个区间，分别对四个区间的作用力等效弯矩进行修正，分别得到每个区间的作用力。
【文档编号】G06F17/50GK103646133SQ201310617523
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】郭平凡, 陈怦, 冯晓林, 孙勇军, 雷鸣, 周友明, 邓延, 阎鹏涛 申请人:中国飞行试验研究院