實驗名稱：可變形(xing)機(ji)翼(yi)縮比(bi)模(mo)型主動變形(xing)實(shi)驗驗證

　　研究方向：介紹(shao)了(le)可(ke)(ke)(ke)用于(yu)(yu)低速風洞(dong)實驗(yan)要求(qiu)的(de)可(ke)(ke)(ke)變形縮比模(mo)(mo)型的(de)設計方(fang)案，以及粘接MFC致動(dong)(dong)器(qi)之后，可(ke)(ke)(ke)變形機翼縮比模(mo)(mo)型在(zai)(zai)1500V電壓(ya)驅動(dong)(dong)下的(de)主動(dong)(dong)變形仿(fang)(fang)真計算結果，本章(zhang)將針對(dui)仿(fang)(fang)真結果，把(ba)理論運(yun)用于(yu)(yu)實踐(jian)，在(zai)(zai)地面實驗(yan)中(zhong)加(jia)載不同(tong)大小(xiao)的(de)電壓(ya)，考(kao)察縮比模(mo)(mo)型主動(dong)(dong)變形的(de)情況，作為(wei)模(mo)(mo)擬仿(fang)(fang)真的(de)驗(yan)證(zheng)，證(zheng)明仿(fang)(fang)真計算方(fang)法的(de)可(ke)(ke)(ke)行性和可(ke)(ke)(ke)信(xin)性。同(tong)時(shi)在(zai)(zai)風洞(dong)實驗(yan)中(zhong)探索MFC致動(dong)(dong)器(qi)在(zai)(zai)風力載荷情況下的(de)驅動(dong)(dong)性能。

　　測試設備：電壓放大器、MFC致動器(qi)、激光位移(yi)傳感器(qi)、數據采集卡、計(ji)算(suan)機等。

　　圖(tu)1：地面實驗系統結構框圖(tu)

　　實驗過程：

　　為了(le)驗(yan)證縮比模(mo)型的主(zhu)動(dong)變形(xing)仿真(zhen)結果，本文將設(she)(she)計(ji)(ji)機(ji)翼縮比模(mo)型主(zhu)動(dong)變形(xing)的地(di)面(mian)實驗(yan)。地(di)面(mian)實驗(yan)的系(xi)統包(bao)括軟(ruan)件系(xi)統的設(she)(she)計(ji)(ji)和硬件系(xi)統的設(she)(she)計(ji)(ji)。

　　地(di)面實驗(yan)的(de)(de)硬件包括：粘(zhan)接有45°極(ji)化(hua)方向(xiang)MFC致(zhi)動器(qi)(qi)的(de)(de)可變(bian)(bian)形(xing)(xing)機翼縮(suo)比(bi)(bi)模(mo)型(xing)（包括樹脂基(ji)復合材料(liao)制作的(de)(de)蒙皮(pi)）、電(dian)壓(ya)放大(da)器(qi)(qi)/驅動器(qi)(qi)、控制用計算機、測量(liang)(liang)縮(suo)比(bi)(bi)模(mo)型(xing)翼尖變(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)的(de)(de)激光(guang)位(wei)移傳感(gan)器(qi)(qi)、多功(gong)能數據(ju)采集卡等。在(zai)縮(suo)比(bi)(bi)模(mo)型(xing)地(di)面實驗(yan)中，縮(suo)比(bi)(bi)模(mo)型(xing)通(tong)(tong)(tong)過(guo)菱(ling)形(xing)(xing)支撐架固定在(zai)實驗(yan)平臺(tai)上，電(dian)壓(ya)控制程序(xu)是(shi)基(ji)于軟件開發平臺(tai)LabVIEW實現的(de)(de)。在(zai)LabVIEW軟件上編寫(xie)好輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)(de)數字控制信(xin)號后(hou)，通(tong)(tong)(tong)過(guo)USB數據(ju)采集卡轉(zhuan)(zhuan)換為輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)(de)模(mo)擬控制信(xin)號（即D/A轉(zhuan)(zhuan)換），將(jiang)輸(shu)出(chu)的(de)(de)電(dian)壓(ya)值傳達給電(dian)壓(ya)放大(da)器(qi)(qi)/驅動器(qi)(qi)，放大(da)器(qi)(qi)將(jiang)電(dian)壓(ya)放大(da)200倍(bei)后(hou)施加到(dao)(dao)壓(ya)電(dian)纖維復合材料(liao)MFC致(zhi)動器(qi)(qi)上。當致(zhi)動器(qi)(qi)被施加電(dian)壓(ya)以后(hou)，在(zai)電(dian)場作用下產生(sheng)形(xing)(xing)變(bian)(bian)，變(bian)(bian)形(xing)(xing)通(tong)(tong)(tong)過(guo)MFC致(zhi)動器(qi)(qi)與(yu)蒙皮(pi)的(de)(de)粘(zhan)接層傳遞到(dao)(dao)復合材料(liao)蒙皮(pi)上，驅使縮(suo)比(bi)(bi)模(mo)型(xing)機翼產生(sheng)變(bian)(bian)形(xing)(xing)。然(ran)后(hou)通(tong)(tong)(tong)過(guo)激光(guang)位(wei)移傳感(gan)器(qi)(qi)記錄縮(suo)比(bi)(bi)模(mo)型(xing)在(zai)其(qi)Z方向(xiang)上的(de)(de)變(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)。然(ran)后(hou)通(tong)(tong)(tong)過(guo)相應的(de)(de)計算，得到(dao)(dao)扭轉(zhuan)(zhuan)的(de)(de)角度。

　　實驗結果：

　　實驗過程(cheng)中選擇縮比模型(xing)(xing)翼尖(jian)的前緣(yuan)端點(dian)(dian)(dian)和后(hou)緣(yuan)端點(dian)(dian)(dian)作為(wei)位(wei)移(yi)測量點(dian)(dian)(dian)，測量該(gai)兩點(dian)(dian)(dian)在壓(ya)電纖維致動器驅動下(xia)的Z向(xiang)位(wei)移(yi)，從而得(de)到縮比模型(xing)(xing)在主動變形時的扭轉角度(du)。實驗加載(zai)(zai)(zai)電壓(ya)方(fang)式為(wei)手動加載(zai)(zai)(zai)，采(cai)用階梯式電壓(ya)加載(zai)(zai)(zai)方(fang)式，從0至1500V，每次(ci)增(zeng)加100V，分別測量Z向(xiang)位(wei)移(yi)值(zhi)，加載(zai)(zai)(zai)后(hou)5秒讀取數據(ju)，并采(cai)用多(duo)次(ci)測量取平均值(zhi)的方(fang)法。圖2描述了實驗測得(de)的位(wei)移(yi)值(zhi)和引入修正系(xi)數后(hou)的熱比擬(ni)法分析的縮比模型(xing)(xing)在致動器驅動下(xia)的Z向(xiang)位(wei)移(yi)值(zhi)的對比情況(kuang)。

　　圖(tu)2：三組MFC同時(shi)施(shi)加電壓時(shi)，主動(dong)變(bian)形(xing)仿真結果與實際變(bian)形(xing)的對(dui)比

　　從圖中可(ke)以看出，實驗測(ce)量的(de)(de)(de)變形(xing)(xing)位移(yi)值(zhi)與(yu)仿真分析(xi)值(zhi)吻(wen)合較好(hao)。因此引入修正系數后的(de)(de)(de)熱比擬法(fa)適用于壓(ya)電(dian)(dian)致動器驅動機(ji)翼主動變形(xing)(xing)結構的(de)(de)(de)靜態位移(yi)分析(xi)。不過(guo)在1300V之后的(de)(de)(de)實驗變形(xing)(xing)位移(yi)略(lve)大于仿真計(ji)算值(zhi)，可(ke)能的(de)(de)(de)原因是由(you)于MFC所承受的(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)載荷趨近于其(qi)臨界值(zhi)時，與(yu)小電(dian)(dian)壓(ya)相比，電(dian)(dian)場極化程(cheng)度比電(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)倍(bei)(bei)數更(geng)強更(geng)顯(xian)著，因此驅動效果(guo)也(ye)要強于電(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)倍(bei)(bei)數關系。

　　圖3：MFC致動(dong)器位置(zhi)與模型(xing)翼尖(jian)后緣主動(dong)變形的(de)關(guan)系

　　圖3描(miao)述了壓電纖維致動器的(de)位置與(yu)主動變(bian)形大(da)小的(de)關系。可以看出，受到機身為固定端并且使用金屬(shu)制造，剛度較大(da)的(de)影響(xiang)，MFC致動器粘接位置離根部位置越(yue)(yue)遠，其產生的(de)主動變(bian)形越(yue)(yue)大(da)。這一點(dian)與(yu)模(mo)擬仿真(zhen)的(de)結果是相同的(de)。

　　圖4：電壓加(jia)載速度與模型(xing)翼(yi)尖后緣主動變形的關系（以中(zhong)間組為(wei)例）

　　在實驗中(zhong)電壓(ya)(ya)的(de)加(jia)載方式為呈線性增(zeng)長(chang)直到所(suo)需電壓(ya)(ya)值(zhi)然后穩定不變(bian)，圖(tu)4描述了(le)在分別使(shi)用(yong)50V/S，100V/S，150V/S的(de)增(zeng)長(chang)速(su)度(du)(du)施加(jia)線性電壓(ya)(ya)，得到電壓(ya)(ya)加(jia)載速(su)度(du)(du)與機(ji)翼主(zhu)動變(bian)形大小(xiao)的(de)關系。從圖(tu)中(zhong)可以看出，加(jia)載的(de)速(su)度(du)(du)與變(bian)形的(de)大小(xiao)關系不大，三種加(jia)載速(su)度(du)(du)下的(de)縮比模型(xing)變(bian)形偏(pian)差(cha)很小(xiao)。因(yin)(yin)此在實際工(gong)程應用(yong)中(zhong)，可以根據其他因(yin)(yin)素(su)或實際需要，選擇(ze)理(li)想(xiang)的(de)加(jia)載速(su)度(du)(du)。

　　電壓(ya)放大器(qi)推薦：ATA-2161

　　圖：ATA-2161高壓放大器指標參數

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