微功耗飞机电脉冲除冰系统理论与实验研究

摘要

微功耗飞机电脉冲除冰技术是一种机械除冰系统，具有很好的应用前景。相比于其它除冰系统，它具有能耗低、易维护和可靠性高等优点。虽然微功耗电脉冲除冰系统已成功在俄罗斯的伊尔系列飞机上安装应用，但由于涉及军事保密，其它各国都还未成功研制出此除冰系统。对此，本文采用理论研究与实验研究相结合的方法，对电脉冲除冰系统的电路参数进行优化设计。电动力学特性研究、结构动力学特性研究以及除冰预测研究是微功耗飞机电脉冲除冰系统理论研究的主要内容。论文主要的研究内容如下所示：　　综合考虑了蒙皮与脉冲线圈之间互感的作用，分析了互感存在对脉冲电流峰值和达到电流峰值所需时间的影响。建立了三维脉冲线圈-蒙皮的电磁涡流场分析模型，采用计算精度高、占用计算机内存少的面光滑有限元边界元耦合法计算蒙皮周围的磁场强度，在相同网格划分密度下，其计算结果比传统的有限元边界元耦合法更接近实验结果，说明该方法是正确合理的。在此基础上，求解得到了蒙皮不同位置处的脉冲力随时间的变化关系。最后，分析了脉冲力峰值的影响因素，即铝板厚度、电导率、脉冲线圈和铝板之间间隙、电路电阻以及脉冲力频率对脉冲力峰值的影响，为下文微功耗电脉冲除冰装置的设计提供重要的指导。　　建立了三维蒙皮-冰层的结构动力学分析模型，采用面光滑有限元法对蒙皮进行模态分析，计算得到的结果与经验公式得到的结果进行对比，验证该计算过程的正确性。施加不均匀分布的瞬时脉冲力到蒙皮的相应位置计算得到的蒙皮中心处的瞬态位移，并与测量值进行对比。由于蒙皮-冰层之间的应力是影响冰层脱落的主要因素，因而在上述计算的基础上求解出了蒙皮与冰层之间的最大正应力的最大剪应力。并分析了电磁脉冲力的大小、电磁脉冲力的分布、蒙皮材料特性（密度和弹性模量）、蒙皮厚度、冰层厚度和冰层密度对蒙皮-冰层之间最大正应力和最大剪应力的影响。　　在雪峰山自然覆冰试验基地开展了拉力测试试验，测得冰层与蒙皮之间的垂直拉应力和切向剪应力。将该拉应力和剪应力作为除冰准则的层间粘结强度，并在自然覆冰试验基地搭建了试验平台开展除冰试验，将试验得到的除冰结果与运用各种除冰准则得到的除冰预测结果进行对比，选出合适的冰层脱冰准则。　　开展了基于微功耗电脉冲除冰系统的参数分析和装置研制研究，首先，采用电动力学计算方法，以脉冲线圈两端的磁场能转化为蒙皮侧机械能的效率为优化目标对脉冲线圈的内径、外径以及匝数进行优化。当电频率等与蒙皮固有频率相等达到共振时除冰效果最佳，可计算得到电容值。然后采用结构动力学计算得到蒙皮侧除冰所需的机械能，根据能量之间的转换效率计算得到脉冲线圈除冰所需的能量，进而可得电容两端的电压值。根据上述电路参数搭建了电脉冲除冰装置并进行除冰实验，将实验得到的除冰结果与设计过程中预期的除冰结果进行对比，验证微功耗电脉冲除冰装置设计过程是正确合理的。　　在重庆大学的多功能人工气候室开展了平板除冰实验，分析了在同一脉冲装置作用下覆冰环境对除冰效果的影响以及同一覆冰环境下除冰率随冰层厚度的变化。针对实际的机翼与铝板虽然材质一样但其曲率不同的问题，由于实验条件的限制，本文以一段翼肋为研究对象，采用数值模拟的方法分析了脉冲线圈个数、位置以及启振时间对除冰效果的影响。为后续微功耗电脉冲除冰装置的安装和应用提供重要的参考依据。

目录

1 绪 论

1.1 论文研究的背景及意义

1.2 飞机防除冰技术

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.3.3国内外发展存在的差距

1.4 本文主要研究内容

2 电脉冲除冰系统的电动力学特性

2.1 引言

2.2.1 电脉冲除冰系统的原理

2.2.2脉冲电流的计算

2.2.3脉冲电流的实验与验证

2.3 脉冲电流峰值的影响因素

2.4 电磁涡流场分析模型

2.4.1电磁涡流场理论

2.4.2基于面光滑有限元边界元法计算涡流场

2.4.3面光滑有限元边界元耦合法的验证

2.5 脉冲力峰值的影响因素

2.5.1铝板厚度(d)对脉冲力峰值的影响

2.5.2铝板电导率(σ)对脉冲力峰值的影响

2.5.3脉冲线圈铝板间隙(g)对脉冲力峰值的影响

2.5.4电路电阻(R)对脉冲力峰值的影响

2.6 本章小结

3 电脉冲除冰系统的结构动力学特性

3.1 引言

3.2 结构动力学理论

3.2.1结构动力学控制方程

3.2.2模态分析

3.3.1模态分析验证

3.3.2 结构动力响应验证

3.4 微功耗电脉冲除冰过程的暂态动力学特性分析

3.5 结构动力特性影响因素研究

3.5.1 脉冲力幅值对铝板最大位移响应的影响

3.5.2 脉冲力分布对铝板最大位移响应的影响

3.5.3铝板厚度对铝板最大位移响应的影响

3.5.4铝板材料特性对铝板最大位移响应的影响

3.5.5冰层厚度对铝板最大位移响应的影响

3.5.6冰层密度对铝板最大位移响应的影响

3.6 本章小结

4 微功耗电脉冲除冰准则与模型建立

4.1 引言

4.2 拉力试验

4.2.1试验装置

4.2.2试验方法

4.2.3拉力测试结果与分析

4.3 除冰准则的研究

4.4.1除冰实验

4.4.2模型建立

4.5 本章小结

5 电脉冲除冰装置设计与制作

5.1 引言

5.2 电脉冲除冰装置设计

5.2.1几何结构

5.2.2脉冲线圈的优化设计

5.2.3除冰所需脉冲力宽度及幅值计算

5.2.4脉冲线圈除冰所需能量计算

5.2.5电脉冲除冰装置电容电压的计算

5.2.6电脉冲除冰过程中的能量分析

5.3 电脉冲除冰装置制作

5.4 电脉冲除冰装置实验验证

5.5 本章小结

6 电脉冲除冰装置除冰实验及数值模拟研究

6.1 引言

6.2.1实验设备及装置

6.2.2不同覆冰环境下的平板除冰实验

6.2.3同一覆冰环境下不同冰层厚度的平板除冰实验

6.2.4脉冲线圈个数、位置和启振时间对平板除冰效果的影响

6.3 电脉冲除冰系统除冰过程的数值模拟

6.3.1脉冲线圈个数、位置对机翼除冰效果影响的数值模拟

6.3.2脉冲线圈启振时间对机翼除冰效果影响的数值模拟

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 本文总结

7.2 主要创新点

7.3 未来展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢