基于压电双晶片的空腔流激振荡主动控制研究

摘要

空腔流激振荡在航空领域比较常见，它会产生巨大的噪声，增大飞行器的飞行阻力，危害飞行器的结构安全，影响投放物的出舱角度。在各种空腔振荡的抑制措施中，压电激励器结构简单、制造容易、安装方便、耗能少、对流体的控制效果好，因此，基于压电双晶片激励器的主动控制方法是抑制空腔流激振荡的有效措施之一。本文针对开式空腔流场，研究了基于压电双晶片的主动控制方案。
　　(1)首先介绍了描述流体动力学特性的主要公式及常用模型，给出了开式空腔流场、闭式空腔流场和过渡式空腔流场的分类依据及特点，并求出了所研究空腔流场的前三阶Rossiter频率。通过有限元软件对空腔流激振荡进行模拟仿真，研究了开式空腔、闭式空腔、过渡式空腔的流场特点和压力分布。搭建流固耦合分析模块，对基于主动结构的空腔流激振荡的抑制进行仿真分析，结果表明:在空腔前缘施加一定频率和幅值的扰动，对腔内流场具有较好的控制效果。
　　(2)简要介绍了压电陶瓷的特点，并给出了PZT-5H的系数矩阵。通过对压电激励器进行分析，确定了压电双晶片的结构形式以及并联加载方式。对压电双晶片激励器的直流响应进行了建模分析，求得了阶跃电压下的直流响应公式，并根据能量法求得了其固有频率的公式。分析了压电双晶片的直流响应位移和固有频率同压电双晶片尺寸参数的关系，并根据其频率特性和直流响应，对压电双晶片进行优化，求得其最佳结构尺寸。采用有限元软件对其进行了仿真计算，验证了理论计算的正确性，并设计了压电双晶片的整体结构。
　　(3)搭建了压电双晶片的特性实验平台，测量了压电双晶片在200V阶跃信号下的位移响应，并得到了压电双晶片的准静态响应位移随电压的滞回曲线，分析了滞回曲线随不同电压范围的特点及验证其重复性。求得压电双晶片在200V电压下的谐响应频谱图，得到其一阶固有频率及共振频率下的谐响应位移。分析了实验值与理论值的误差来源。采用PID控制器和模糊PD控制器分别进行了压电双晶片的主动振动抑制实验，较好地抑制了振动。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 空腔流激振荡的研究意义

1．2 空腔流激振荡的研究现状

1．3 空腔流激振荡的抑制

1．3．1 空腔流激振荡抑制的国外研究现状

1．3．2 空腔流激振荡抑制的国内研究现状

1．4 本文主要工作

2 空腔流场及前缘扰动控制模拟仿真

2．1 空腔流场分析基础

2．1．1 Navier-Stokes方程组

2．1．2 常用计算方法及模型

2．1．3 空腔流场的分类及特点

2．1．4 空腔流激振荡的Rossiter频率

2．2 空腔流场及压力分布的模拟分析

2．2．1 开式空腔流场的模拟分析

2．2．2 闭式空腔流场的模拟分析

2．2．3 过渡式空腔流场的模拟分析

2．2．4 所研究空腔的流场分析

2．3 基于主动扰流板的空腔流场控制的模拟仿真

2．3．1 流固耦合分析模块搭建

2．3．2 流固耦合分析参数设置

2．3．3 基于主动扰流板的流场控制分析结果

2．4 本章小结

3 用于主动流动控制的压电双晶片激励器建模及优化设计

3．1 主动扰流板的实现

3．2 压电效应及压电陶瓷

3．2．1 压电效应

3．2．2 压电陶瓷性能及参数

3．3 压电激励器的特性模型

3．3．1 压电激励器的结构

3．3．2 压电双晶片激励器的加载方式

3．3．3 压电双晶片激励器的直流响应模型

3．3．4 压电双晶片激励器的固有频率模型

3．3．5 压电双晶片激励器性质计算

3．4 压电双晶片激励器的材料尺寸

3．4．1 压电双晶片的性质与结构尺寸的关系

3．4．2 压电双晶片激励器的参数确定

3．5 压电双晶片激励器的有限元仿真

3．5．1 压电双晶片的准静态响应仿真分析

3．5．2 压电双晶片的固有频率

3．6 压电双晶片激励器的制作

3．6．1 压电双晶片激励器的三维模型

3．6．2 压电双晶片激励器的制作

3．7 本章小结

4 压电双晶片激励器的实验研究

4．1 压电双晶片激励器的特性实验

4．1．1 压电双晶片特性实验平台搭建

4．1．2 压电双晶片特性实验结果

4．1．3 压电双晶片特性实验结果分析

4．2 压电双晶片的主动振动抑制实验

4．2．1 基于PID的主动振动抑制实验

4．2．2 基于模糊控制器的主动振动抑制

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢