形状记忆合金在飞行器结构刚度控制中的应用研究

摘要

本文以超声速飞行器结构气动热软化现象为背景，研究了基于形状记忆合金的结构刚度控制方法，提出了将SMA条带作为加强筋的舵面结构。
　　以梁结构为研究对象，利用形状记忆合金的特性，将其布置在梁结构上，给出梁结构刚度控制的数学模型。以Ni-Ti形状记忆合金为计算对象，根据计算结果得出：梁结构的刚度控制效果与形状记忆合金的厚度有关，同时也与其弹性模量的比值有关。这为形状记忆合金在飞行器结构刚度控制中的应用提供了理论依据。
　　根据传统舵面模型，设计了基于形状记忆合金的变刚度舵面结构，通过有限元仿真分析结构刚度控制效果，并研究温度、气动载荷以及材料的选取对结构刚度控制效果的影响。以控制效果最大化为目标，利用遗传算法对结构尺寸进行优化。
　　对舵面结构加强筋的布局方式进行优化，通过模态实验验证结构刚度控制效果。结果表明，在高温环境下利用SMA奥氏体相的弹性模量高于马氏体相这一特性可以实现对结构刚度的被动控制。结构控制后的一阶固有频率与控制前相比增幅可达10％。此外，研究了结构刚度随环境温度升高的变化趋势。考虑到在环境温度作用下，SMA不一定能完全相变，搭建了结构刚度主动控制系统。实验发现，利用大电容的瞬时放电驱动SMA，使其完全相变，响应时间可达15ms。结构刚度随着环境温度的增加先是逐渐减小，而后慢慢变大，最后再慢慢减小，其在SMA奥氏体相变结束温度处的刚度最大。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1引言

1.2智能材料与结构

1.3本文的主要内容

第二章 形状记忆合金的性能测试方法及刚度控制数学模型

2.1形状记忆合金材料的性能测试方法

2.2形状记忆合金的相变机理[12]

2.3形状记忆合金的刚度控制数学模型

2.4本章小结

第三章 刚度控制作动器设计与结构仿真优化研究

3.1控制原理

3.2建模仿真分析

3.3气动载荷对模型刚度控制的影响

3.4材料的选取对模型刚度控制效果的影响

3.5加强筋布局方式优化

3.6本章小结

第四章 形状记忆合金对结构刚度控制效果实验验证研究

4.1舵面样机搭建

4.2结果与分析

4.3本章小结

第五章 形状记忆合金快速响应系统设计

5.1驱动电路系统设计

5.2实验结果与分析

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文