壓電式微小飛行器舵翼驅(qū)動(dòng)器技術(shù)研究.pdf

1、微小飛行器(Micro Air Vehicle)因?yàn)槠潴w積小、成本低、隱蔽性好，靈活機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)而倍受人們的關(guān)注。舵翼作為飛行器的氣動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，是微小飛行器研究工作的重要組成部分，而傳統(tǒng)的液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)舵翼驅(qū)動(dòng)裝置很難滿足微小飛行器的要求。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，將一些新型驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于微小飛行器成為解決此類問(wèn)題的首選途徑。國(guó)外學(xué)者在微小飛行器舵翼驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域做了一些研究工作，而國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的報(bào)道極少。
　　本文針對(duì)整體式壓電舵翼的

2、不足，提出了一種分段式壓電舵翼結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型，分析了壓電舵翼靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，研究了壓電舵翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)舵翼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了樣機(jī)的加工裝配工藝，并開(kāi)展了壓電舵翼靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試方法的研究，為壓電舵翼驅(qū)動(dòng)技術(shù)的理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及性能測(cè)試提供參考。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)針對(duì)壓電本構(gòu)方程的復(fù)雜性，通過(guò)對(duì)壓電陶瓷材料力學(xué)性能，壓電特性的研究，排除了完整壓電本構(gòu)方程中非線性應(yīng)變項(xiàng)和電彈伸縮項(xiàng)的影響，得

3、到了符合壓電陶瓷力學(xué)性能和工作電壓范圍的壓電本構(gòu)方程。
　　(2)研究了壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器變形時(shí)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，根據(jù)分布規(guī)律，以變形協(xié)調(diào)方程為邊界條件，建立了壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器在電壓作用下發(fā)生變形的靜力學(xué)模型。與其他壓電驅(qū)動(dòng)器模型相比，本模型理論更加直觀清晰，表達(dá)式更加簡(jiǎn)潔。
　　(3)通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和電載荷實(shí)驗(yàn)，測(cè)量靜力學(xué)模型所需要的物性參數(shù)。根據(jù)壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器變形量級(jí)，設(shè)計(jì)搭建了光學(xué)非接觸測(cè)量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)測(cè)量了

4、驅(qū)動(dòng)器在電壓作用下變形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的靜力學(xué)模型正確地反映了壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器在電壓下的變形。
　　(4)針對(duì)整體式壓電舵翼偏轉(zhuǎn)性能受尺寸影響的不足，提出一種分段式壓電舵翼結(jié)構(gòu)，以靜力學(xué)模型為理論依據(jù)，分析了分段式壓電舵翼的靜力學(xué)性能。研究了壓電舵翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
　　(5)根據(jù)分段式壓電舵翼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了舵翼系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)分段式壓電舵翼的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，揭示了分段式壓電舵翼的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)，得到了舵翼系統(tǒng)的固有

5、頻率。
　　(6)根據(jù)分段式壓電舵翼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了舵翼加工裝配工藝，制作了原理樣機(jī)。在靜力實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量舵翼系統(tǒng)在電壓作用下的偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明舵翼結(jié)構(gòu)方案可行，設(shè)計(jì)方法正確。動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量舵翼系統(tǒng)在階躍信號(hào)激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文動(dòng)力學(xué)模型能夠較好的描述分段式壓電舵翼的動(dòng)力學(xué)特性。結(jié)合動(dòng)態(tài)響應(yīng)與舵翼系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型得到舵翼的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)，為舵翼控制奠定基礎(chǔ)。
　　本文建立了壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器靜力學(xué)模型和壓電舵翼