基于压电片激振与Lamb波联合切应力除冰模态的优选方法技术

本发明专利技术提供一种基于压电片激振与Lamb波联合切应力除冰模态的优选方法，选择压电片作为驱动器，分析压电片激振频率对输入铝板

【技术实现步骤摘要】
基于压电片激振与Lamb波联合切应力除冰模态的优选方法


[0001]本专利技术属于超声导波防除冰
，尤其涉及一种基于压电片激振与Lamb波联合切应力除冰模态的优选方法。

技术介绍

[0002]飞机在飞行过程中遇到含有过冷水滴的云层时，机体上机翼前缘会发生结冰的现象，积冰会改变机翼附近气体的流动特性，使飞机不能按设计的参数航行，降低了飞机的飞行安全性。如果对结冰不采取合理有效的除冰措施，不仅会使飞机升力性能降低、油耗增加，还有可能导致机翼以及机身出现振动和噪音，影响乘客的乘坐体验，甚至会造成机毁人亡的严重后果。
[0003]因此，有效去除飞机积冰是飞机安全飞行的必要保障，发展功耗低、重量轻、可靠性高的除冰系统具有重大意义。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于压电片激振与Lamb波联合切应力除冰模态的优选方法，能够激发出该给定功率下可能得到的最大除冰切应力，以克服冰与铝板基底之间的粘附切应力，最终达到除冰的目的。
[0005]一种基于压电片激振与Lamb波联合切应力除冰模态的优选方法，采用压电片粘贴于铝板的上表面，待除冰层固接在铝板的下表面，对压电片输入设定激振频率的交流电后，压电片激振铝板产生设定模态的Lamb波来进行除冰，其中，模态用于表征Lamb波的相速度与激振频率之间存在的变化规律，且变化规律不同，模态不同；
[0006]所述激振频率和模态的设定方法包括以下步骤：
[0007]S1：将三维的冰层-铝板双层结构模型简化为二维的冰层-铝板双层结构模型，根据Lamb波在冰层中的波动方程，获取Lamb波在所述二维的冰层-铝板双层结构模型中的频散曲线，其中，所述频散曲线由Lamb波各模态对应的模态曲线构成；
[0008]S2：依次将各模态曲线作为当前模态曲线执行以下步骤S21～S22，将各模态曲线转换为耦合曲线；
[0009]S21：在给定功率下，设置不同的激振频率点，获取当前模态曲线在各激振频率点上对应的铝板与冰层之间的界面应力集中系数ISCC，并采用不同的颜色表征ISCC的大小；
[0010]S22：根据当前模态曲线上各激振频率点对应的ISCC大小，选取对应的颜色作为各激振频率点的颜色，得到当前模态曲线对应的耦合曲线；
[0011]S3：根据各模态对应的耦合曲线，选取两个最优的待选模态，其中，待选模态对应的耦合曲线上至少存在一个候选区间段，且候选区间段中各激振频率点对应的ISCC均大于设定值；
[0012]S4：在给定功率下，设置不同的激振频率点，通过压电片激振铝板的应变方程，得到待选模态对应的压电片激振铝板时在铝板上产生的应变频率响应曲线；
[0013]S5：将峰值更大的应变频率响应曲线对应的待选模态作为最终模态，获取最终模态对应的应变频率响应曲线所有峰值所在的频率点，将落入最终模态的候选区间段的频率点作为最终的激振频率。
[0014]进一步地，所述界面应力集中系数ISCC的计算公式为：
[0015][0016]其中，σ
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为铝板与冰层界面处的切应力，Power为给定功率。
[0017]进一步地，所述铝板和冰层的厚度均为1mm。
[0018]进一步地，所述压电片的厚度为0.5mm，半径为5mm。
[0019]进一步地，所述Lamb波在冰层中的波动方程为：
[0020][0021]其中，ρ为冰层的密度，C为刚度矩阵，u为Lamb波在冰层中的传播位移，t为时间，x和y分别为Lamb波在冰层中的两个不同的传播方向。
[0022]有益效果：
[0023]本专利技术提供一种基于压电片激振与Lamb波联合切应力除冰模态的优选方法，选择压电片作为驱动器，分析压电片激振频率对输入铝板-冰层界面之间切应力的影响，结合选出Lamb波的除冰的待选模态和铝板上表面应变的频率响应曲线，最终完成压电片激振与Lamb波联合切应力除冰模态优选；本专利技术旨在给定功率的情况下，激发出该给定功率下可能得到的最大除冰切应力，以克服冰与基底之间的粘附切应力，最终达到除冰的目的；本专利技术具有功耗低、成本低、重量轻、可靠性高等优点，具有广阔的应用前景，尤其适用于飞机机翼部件除冰。
附图说明
[0024]图1为本专利技术建立的覆冰双层结构导波传播模型示意图；
[0025]图2为本专利技术提供的一种基于压电片激振与Lamb波联合切应力除冰模态的优选方法的流程图；
[0026]图3为本专利技术覆冰铝板模型的ISCC值与其相速度频散曲线相互叠加耦合后的示意图；
[0027]图4为本专利技术Lamb波S0模态和A0模态在铝板上表面的应变频率响应曲线示意图。
具体实施方式
[0028]为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0029]由于机翼与积冰之间的粘附正应力大于两者的粘附切应力，因此，从粘附切应力的角度考虑，对飞机除冰具有很大的裨益。Lamb波能在机翼上激发出正应力与切应力，即在机翼表面上能产生离面位移和面内位移，面内位移在除冰过程中起主要作用，由此可见，Lamb波在机翼防除冰的应用上具有明显的优势。同时，超声导波防除冰技术还具有低功耗、低成本、轻质化、结构简单、可靠性高等优点，可以预见，其在飞机除冰领域具有非常广阔的
应用前景。
[0030]基于对超声导波基本原理的深刻认识基础上，本专利技术提出一种基于压电片激振与Lamb波联合切应力除冰模态的优选方法，如图1所示，压电片粘贴于铝板的上表面，待除冰层固接在铝板的下表面，对压电片输入设定激振频率的交流电后，压电片激振铝板产生设定模态的Lamb波来进行除冰，其中，模态用于表征Lamb波的相速度与激振频率之间存在的变化规律，且变化规律不同，模态不同，例如有S0模态、S1模态、A0模态、A1模态等；
[0031]如图2所示，所述激振频率和模态的设定方法包括以下步骤：
[0032]S1：将三维的冰层-铝板双层结构模型简化为二维的冰层-铝板双层结构模型，根据Lamb波在冰层中的波动方程，获取Lamb波在所述二维的冰层-铝板双层结构模型中的频散曲线，超声波传播方向沿x1轴正方向，质点振动方向沿x3轴，其中，所述频散曲线由Lamb波各模态对应的模态曲线构成。
[0033]所述Lamb波在冰层中的波动方程为：
[0034][0035]其中，ρ为冰层的密度，C为刚度矩阵，u为Lamb波在冰层中的传播位移，t为时间，x和y分别为Lamb波在冰层中的两个不同的传播方向，冰被看作是各向同性材料。
[0036]S2：依次将各模态曲线作为当前模态曲线执行以下步骤S21～S22，将各模态曲线转换为耦合曲线。
[0037]S21：在给定功率下，设置不同的激振频率点，获取当前模态曲线在各激振频率点上对应的铝板与冰层之间的界面应力集中系数ISCC(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压电片激振与Lamb波联合切应力除冰模态的优选方法，采用压电片粘贴于铝板的上表面，待除冰层固接在铝板的下表面，对压电片输入设定激振频率的交流电后，压电片激振铝板产生设定模态的Lamb波来进行除冰，其中，模态用于表征Lamb波的相速度与激振频率之间存在的变化规律，且变化规律不同，模态不同；其特征在于，所述激振频率和模态的设定方法包括以下步骤：S1：将三维的冰层-铝板双层结构模型简化为二维的冰层-铝板双层结构模型，根据Lamb波在冰层中的波动方程，获取Lamb波在所述二维的冰层-铝板双层结构模型中的频散曲线，其中，所述频散曲线由Lamb波各模态对应的模态曲线构成；S2：依次将各模态曲线作为当前模态曲线执行以下步骤S21～S22，将各模态曲线转换为耦合曲线；S21：在给定功率下，设置不同的激振频率点，获取当前模态曲线在各激振频率点上对应的铝板与冰层之间的界面应力集中系数ISCC，并采用不同的颜色表征ISCC的大小；S22：根据当前模态曲线上各激振频率点对应的ISCC大小，选取对应的颜色作为各激振频率点的颜色，得到当前模态曲线对应的耦合曲线；S3：根据各模态对应的耦合曲线，选取两个最优的待选模态，其中，待选模态对应的耦合曲线上至少存在一个候选区间段，且候选区间段中各激振频率点对应的ISCC均大于设定值；S4...

【专利技术属性】
技术研发人员：于全朋，周世圆，姚鹏娇，胡晓丹，赵明华，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：