基于形状记忆聚合物蒙皮的压电大位移变形翼及其方法与流程

1.本发明属于微小型无人机飞行控制领域，具体涉及一种基于形状记忆聚合物蒙皮的压电大位移变形翼及其方法。


背景技术：

2.目前压电智能材料作为驱动器，为了增加其驱动性能，即输出位移，都会采用轴向预压缩的方法。对压电双晶片进行施加轴向力，减小弯曲刚度。施加力一般采用悬挂重物、预拉伸的弹性带和弹簧等。压电双晶片由于在制作的过程中会产生初始弯曲，长时间受到轴向力作用，会导致初始弯曲进一步增大，最终导致双晶片折断。因此如何避免预置有轴向力的压电双晶片容易折断的缺陷，是目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决现有技术中预置有轴向力的压电双晶片容易折断的缺陷，提供一种基于形状记忆聚合物蒙皮的压电大位移变形翼及其方法。本发明设计了一种可控的施加轴向力的方式，即在未工作时可以撤去轴向力，在工作时可轴向施压的轴向力加载方式，从而避免压电双晶片中可能存在的初始弯曲进一步增大。
4.为实现上述发明目的，本发明具体采用以下技术方案实现：
5.一方面，本发明提供了一种基于形状记忆聚合物蒙皮的压电大位移变形翼，其包括机翼前缘、主动柔性蒙皮、压电驱动装置、若干组上下翼肋组件以及机翼后缘；压电驱动装置作为变形翼的支撑结构和变形结构，由两层压电双晶片上下平行排列而成，其首端插入机翼前缘壁板的通槽内并与机翼前缘壁板固联，其尾端插入机翼后缘壁板的通槽内并与机翼后缘壁板固联；压电驱动装置中的每一层压电双晶片沿变形翼弦向的两侧分别伸出多个耳片，所有上下翼肋组件沿变形翼的展向间隔排列；每一组上下翼肋组件包括一条上翼肋、一条下翼肋和两个轴承，其中上翼肋的两侧连接端固定于上层压电双晶片的耳片上，下翼肋的两侧连接端固定于下层压电双晶片的耳片上，且上翼肋的两侧连接端外侧分别套有一个轴承，轴承与所在的连接端构成旋转副，轴承外圈与下翼肋接触，使得变形翼发生变形时上翼肋和下翼肋之间能够通过轴承实现支撑和错动；所述主动柔性蒙皮由薄膜状的形状记忆聚合物构成，分别包覆变形翼的上翼面和下翼面，其中上翼面的主动柔性蒙皮中间部分贴合固定于所有的上翼肋顶面，两端分别固定在机翼前缘与机翼后缘的表面，下翼面的主动柔性蒙皮中间部分贴合固定于所有的下翼肋顶面，两端分别固定在机翼前缘与机翼后缘的表面；机翼前缘固定不动，压电驱动装置能驱动变形翼弯曲，从而控制机翼后缘摆动；主动柔性蒙皮在工作时控制形状记忆聚合物收缩来输出力，使压电驱动装置处于轴向受压状态，在不工作时不输出力，使压电驱动装置处于不受轴向压力的状态。
6.作为优选，所述的上下翼肋组件共有5组，沿变形翼展向按照均匀的间隔布置。
7.作为优选，所述的主动柔性蒙皮由热致型形状记忆聚合物构成，在工作时通过加热使形状记忆聚合物收缩产生拉应力，不工作时不加热并冷却保持玻璃态。
8.进一步的，所述的主动柔性蒙皮中沿着变形翼的展向嵌入电阻丝，用于控制热致型形状记忆聚合物的受热状态。
9.作为优选，所述压电驱动装置的首端通过螺栓螺母组件与机翼前缘壁板固联，尾端通过沉头螺栓和螺母与机翼后缘壁板固联。
10.作为优选，所述的上下翼肋组件与压电双晶片的耳片通过螺栓螺母组件固联。
11.作为优选，所述主动柔性蒙皮的两端通过粘贴方式固定在机翼前缘与机翼后缘的表面。
12.进一步的，所述主动柔性蒙皮采用环氧胶来粘贴固定。
13.作为优选，所述压电双晶片由一层铝板以及两片压电纤维复合材料组成，压电驱动器的上下两层压电双晶片在工作时被施加相同相位和幅值的电压。
14.另一方面，本发明提供了一种基于上述任一方案所述压电大位移变形翼的控制方法，其具体如下：
15.在变形翼工作状态下，先控制机翼上下表面包覆的主动柔性蒙皮中的形状记忆聚合物同步收缩，从而利用形成的拉力保持压电驱动装置处于轴向受压状态，然后再根据机翼后缘的目标位移量，通过对压电驱动装置中的压电双晶片施加对应的电压，从而驱动压电双晶片产生变形并带动机翼后缘摆动，通过pid反馈保证机翼后缘摆动至目标位置；
16.在变形翼不工作状态下，保持压电驱动装置中的压电双晶片处于无电压状态，机翼上下表面包覆的主动柔性蒙皮自然伸展，压电驱动装置处于不受轴向压力的状态，避免压电双晶片中可能存在的初始弯曲进一步增大。
17.本发明提出的一种基于形状记忆聚合物蒙皮的压电大位移变形翼，通过附加有形状记忆聚合物制成的主动柔性蒙皮来改善未工作时压电驱动装置是否受轴向力的状态，使得压电驱动器有着更加稳定的使用性能和更长的使用使命，可以输出较大的位移和力来满足微型飞行器的承载要求。并且该变形翼有着压电驱动器高精度、高宽带和快速响应的优点。
附图说明
18.图1是变形翼侧向结构示意图；
19.图2是变形翼轴向结构示意图；
20.图3是机翼前缘示意图；
21.图4是机翼后缘示意图；
22.图5是压电纤维复合材料双晶片示意图；
23.图6是变形翼的上下翼肋布置示意图；
24.图7是变形翼弯曲变形侧向结构示意图；
25.图8是变形翼弯曲变形轴向结构示意图；
26.图9是形状记忆聚合物形状记忆效应机理示意图
27.图中，1
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机翼前缘，2
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第一螺栓，3
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主动柔性蒙皮，4
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第一上翼肋，5
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第二上翼肋，6
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第三上翼肋，7
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第四上翼肋，8
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第五上翼肋，9
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压电驱动器，10
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机翼后缘，11
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螺母，12
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第一下翼肋，13
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第二下翼肋，14
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第三下翼肋，15
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第四下翼肋，16
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第五下翼肋，17
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轴承，18
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第二螺栓，19
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沉头螺栓，20
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铝板，21
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压电纤维复合材料，22
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铜丝。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
29.如图1和图2所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种基于形状记忆聚合物蒙皮的压电大位移变形翼，其主要结构包括机翼前缘1、主动柔性蒙皮3、压电驱动装置9、5组上下翼肋组件以及机翼后缘10。
30.其中，如图3所示，机翼前缘1的壁板上开设有两条通槽。同样的，如图4所示，机翼后缘10的壁板上也开设有两条通槽。而压电驱动装置9作为变形翼的主要支撑结构，承担其余主动柔性蒙皮3、上下翼肋组件等部件的载荷，同时压电驱动装置9也是变形结构，用于对机翼进行变形控制。压电驱动装置9由两层压电双晶片上下平行排列而成，其首端插入机翼前缘1壁板的两条通槽内并与机翼前缘1壁板固联，其尾端插入机翼后缘10壁板的两条通槽内并与机翼后缘10壁板固联。具体的固联方式是多样的，在本实施例中，压电驱动装置9的首端通过第一螺栓2和螺母11与机翼前缘1壁板固联，而尾端通过沉头螺栓19和对应的螺母与机翼后缘10壁板固联。
31.压电双晶片是基于压电效应实现电能与机械能相互转换的器件，在施加电压后能够实现相应的弯曲作动。如图5所示，在本实施例中，每一层压电双晶片由一层铝板20以及两片压电纤维复合材料21组成，两片压电纤维复合材料21分别贴合在铝板20的上下两面。为了保持变形翼变形的同步下，压电驱动器9的上下两层压电双晶片在工作时应当被施加相同相位和幅值的电压。
32.主动柔性蒙皮3是通过5组上下翼肋组件安装于压电驱动装置9上的，为了与5组上下翼肋组件进行配合安装，压电驱动装置9中的每一层压电双晶片沿变形翼弦向的两侧分别伸出多个耳片。如图6所示，每一块铝板20的每一侧都设有5个耳片，两侧耳片的设置位置一一对应。所有的5组上下翼肋组件沿变形翼的展向间隔排列，本实施例中为了保证变形的稳定性，设置其间隔均相同。每一组上下翼肋组件包括一条上翼肋、一条下翼肋和两个轴承17，上翼肋和下翼肋均类似龙门架形式，各自具有两个连接端，每个连接端中都具有一条横向的安装缝，压电双晶片的耳片能够插入安装缝中并通过第二螺栓18和螺母进行固定。在上述5组上下翼肋组件中，第一上翼肋4、第二上翼肋5、第三上翼肋6、第四上翼肋7、第五上翼肋8分别对应于第一下翼肋12、第二下翼肋13、第三下翼肋14、第四下翼肋15、第五下翼肋16。当然，具体的上下翼肋组件组数在其他实施例中是可以根据需要调整的，对此不做限定。
33.对于任意一组上下翼肋组件而言，上翼肋的两侧连接端固定于上层压电双晶片的耳片上，下翼肋的两侧连接端通过前述的安装缝固定于下层压电双晶片的耳片上，如图6所示。连接端开设有螺纹孔以便于上下翼肋组件与压电双晶片的耳片通过螺栓螺母组件固联。而且，本实施例中的上翼肋的两侧连接端水平部分外侧分别套有一个轴承17，轴承17与所在的连接端构成旋转副，轴承17能够绕着所在的连接端轴线转动。而且轴承17外圈与对应位置的下翼肋的连接端表面接触。设置轴承17的目的是为了使上翼肋和下翼肋的运动解耦，因为在没有轴承17的状态下，当变形翼摆动时，上翼肋和下翼肋的连接端可能出现面接触，进而因为两者之间的耦合摩擦导致无法顺利变形。而设置轴承17后，变形翼出现变形时上翼肋和下翼肋之间具有一个能够转动的轴承17，因此一方面可以通过轴承17实现上下翼
肋的支撑，另一方面两者之间能够顺利错动，不再相互干涉。
34.在本发明中，上述压电驱动器9的作用在于驱动变形翼弯曲，使得机翼后缘可以在一定范围内摆动，而主动柔性蒙皮3的作用则是用来对压电驱动器9施加轴向力，减小压电双晶片的弯曲刚度。如图7和图8所示，实际使用时，机翼前缘1固定不动，压电驱动装置9能驱动变形翼弯曲，从而在主动柔性蒙皮3的轴向力下方便地控制机翼后缘10摆动，整体的机翼是一个悬臂梁的形式。
35.在本实施例中，主动柔性蒙皮3由薄膜状的形状记忆聚合物构成，与普通的预拉伸蒙皮不同的是，其收缩状态是可控的，即主动柔性蒙皮3在工作时可控制形状记忆聚合物收缩来输出力，使压电驱动装置9处于轴向受压状态，在不工作时不输出力，使压电驱动装置9处于不受轴向压力的状态。为了实现这种可控的状态，本实施例中分别在变形翼的上翼面和下翼面包覆了主动柔性蒙皮3，其中上翼面的主动柔性蒙皮3中间部分贴合固定于所有的上翼肋顶面，而两端分别固定在机翼前缘1与机翼后缘10的表面，同样的下翼面的主动柔性蒙皮3中间部分贴合固定于所有的下翼肋顶面，两端分别固定在机翼前缘1与机翼后缘10的表面。主动柔性蒙皮3的两端通过粘贴方式固定在机翼前缘1与机翼后缘10的表面，优选采用环氧胶来粘贴固定。为了便于粘贴固定，机翼前缘1与机翼后缘10的表面均可设置用于贴合主动柔性蒙皮3的凹槽区域。
36.为了便于实现对形状记忆聚合物收缩的控制，本实施例中主动柔性蒙皮3的形状记忆聚合物可采用热致型形状记忆聚合物，在工作时通过加热使形状记忆聚合物收缩产生拉应力，不工作时不加热并冷却保持玻璃态。如图9所示，形状记忆聚合物的形状记忆效应机理图中的黑色点为固定相，代表将分子链段连接在一起的交联点，可由物理相互作用或化学共价键构成；长线条为可逆相，代表分子链段，其中实线线条代表冻结链段，虚线线条代表激活链段。形状记忆过程为：对原始形状的形状记忆聚合物加热到温度高于玻璃化转变温度，施加外力使其变形；保持外力约束，使材料的温度降低至玻璃化转变温度以下，在撤去外力约束，材料的变形会得到保持；再对材料两端进行约束，加热使材料恢复原始形态，由于两端约束，会对两端产生拉力；最后冷却材料恢复记忆形态。
37.而主动柔性蒙皮3的热致型形状记忆聚合物的加热状态则可以通过在薄膜中沿着变形翼的展向嵌入电阻丝来实现控制，电阻丝可以在薄膜中均匀分布，通过控制电阻丝的加热状态即可控制热致型形状记忆聚合物的受热状态。在本实施例中，可将铜丝22沿着展向间隔嵌入形状记忆聚合物中充当电阻丝，每一条铜丝22均沿弦向分布，由此不影响弦向的拉伸刚度。通电使铜丝22升温到一定的温度，对形状记忆聚合物进行加热，即可使其变形。作时，先加热使形状记忆聚合物收缩产生拉应力，再对压电驱动器进行驱动控制；工作结束，先停止压电驱动器的驱动，再停止形状记忆聚合物的加热，冷却恢复玻璃态。
38.本发明是基于压电材料和形状记忆聚合物两种智能材料的变形翼，对于施加载荷完全做到了智能控制。施加轴向力使用形状记忆聚合物来实现。形状记忆聚合物是通过外界环境变化而产生主动变形的新型智能材料。形状记忆聚合物有着低成本、低密度、较大的可回复应变以及多选择的激励方法等优点。本发明将采用热致型形状记忆聚合物，对原始形状的形状记忆聚合物加热到温度高于玻璃化转变温度，施加外力使其变形；保持外力约束，使材料的温度降低至玻璃化转变温度以下，在撤去外力约束，材料的变形会得到保持；再对材料两端进行约束，加热使材料恢复原始形态，由于两端约束，会对两端产生拉力；最
后冷却材料恢复记忆形态。在变形翼制造时，通过对压电驱动器性能的测定，得到一个固定轴向力的值，再对形状记忆聚合物进行制作，得到能够产生所需轴向应力的形状聚合物。
39.基于上述压电大位移变形翼的控制方法，其具体需要根据变形翼是否处于工作状态来控制主动柔性蒙皮3的收缩状态：
40.在变形翼工作状态下，先控制机翼上下表面包覆的主动柔性蒙皮3中的形状记忆聚合物同步收缩，从而利用形成的拉力保持压电驱动装置9处于轴向受压状态，然后再根据机翼后缘10的目标位移量，通过对压电驱动装置9中的压电双晶片施加对应的电压，从而驱动压电双晶片产生变形并带动机翼后缘10摆动，通过pid反馈保证机翼后缘10摆动至目标位置。
41.在变形翼停止工作后即可停止电压的施加，从而是主动柔性蒙皮3冷却恢复玻璃态，消除对压电驱动装置9的轴向压力。
42.在变形翼不工作状态下，始终保持压电驱动装置9中的压电双晶片处于无电压状态，机翼上下表面包覆的主动柔性蒙皮3自然伸展，压电驱动装置9处于不受轴向压力的状态，由此可避免压电双晶片中可能存在的初始弯曲进一步增大。
43.在实际使用时，压电驱动器9的控制可通过控制给定的电压信号实现的。对于输入给压电驱动器9的电压信号，是将变形翼的机翼后缘10位移量作为输入参数，通过建立迟滞率相关模型的逆模型得到参考电压信号，再通过pid反馈减小实际位移量与目标位移量的误差。
44.综上，本发明通过设置主动柔性蒙皮，使得机翼工作时，主动柔性蒙皮会在通电加热情况下转化为橡胶态，从而产生收缩应力来对压电驱动装置施加轴向压力，使得压电装置处于被压缩状态，有助于驱动时形变量的增大。机翼未工作时，不对主动蒙皮通电加热，使其保持玻璃态，不产生轴向拉应力，从而避免压电双晶片长时间在轴向压力作用下导致的永久变形，提高压电双晶片寿命。
45.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。