電壓放大器在可變形機翼縮比模型主動變形實驗中的應用

實驗名稱：可變形機翼縮比模主型動變形實驗驗證

研究方向：介紹了可用于低速風洞實驗要求的可變形縮比模型的設計方案，以及粘接MFC致動器之后，可變形機翼縮比模型在1500V電壓驅動下的主動變形仿真計算結果，本章將針對仿真結果，把理論運用于實踐，在地面實驗中加載不同大小的電壓，考察縮比模型主動變形的情況，作為模擬仿真的驗證，證明仿真計算方法的可行性和可信性。同時在風洞實驗中探索MFC致動器在風力載荷情況下的驅動性能。

測試設備：電壓放大器、MFC致動器、激光位移傳感器、數據采集卡、計算機等。

圖1：地面實驗系統(tǒng)結構框圖

實驗過程：

為了驗證縮比模型的主動變形仿真結果，本文將設計機翼縮比模型主動變形的地面實驗。地面實驗的系統(tǒng)包括軟件系統(tǒng)的設計和硬件系統(tǒng)的設計。

地面實驗的硬件包括：粘接有45°極化方向MFC致動器的可變形機翼縮比模型（包括樹脂基復合材料制作的蒙皮）、電壓放大器/驅動器、控制用計算機、測量縮比模型翼尖變形量的激光位移傳感器、多功能數據采集卡等。在縮比模型地面實驗中，縮比模型通過菱形支撐架固定在實驗平臺上，電壓控制程序是基于軟件開發(fā)平臺LabVIEW實現的。在LabVIEW軟件上編寫好輸出電壓的數字控制信號后，通過USB數據采集卡轉換為輸出電壓的模擬控制信號（即D/A轉換），將輸出的電壓值傳達給電壓放大器/驅動器，放大器將電壓放大200倍后施加到壓電纖維復合材料MFC致動器上。當致動器被施加電壓以后，在電場作用下產生形變，變形通過MFC致動器與蒙皮的粘接層傳遞到復合材料蒙皮上，驅使縮比模型機翼產生變形。然后通過激光位移傳感器記錄縮比模型在其Z方向上的變形量。然后通過相應的計算，得到扭轉的角度。

實驗結果：

實驗過程中選擇縮比模型翼尖的前緣端點和后緣端點作為位移測量點，測量該兩點在壓電纖維致動器驅動下的Z向位移，從而得到縮比模型在主動變形時的扭轉角度。實驗加載電壓方式為手動加載，采用階梯式電壓加載方式，從0至1500V，每次增加100V，分別測量Z向位移值，加載后5秒讀取數據，并采用多次測量取平均值的方法。圖2描述了實驗測得的位移值和引入修正系數后的熱比擬法分析的縮比模型在致動器驅動下的Z向位移值的對比情況。

圖2：三組MFC同時施加電壓時，主動變形仿真結果與實際變形的對比

從圖中可以看出，實驗測量的變形位移值與仿真分析值吻合較好。因此引入修正系數后的熱比擬法適用于壓電致動器驅動機翼主動變形結構的靜態(tài)位移分析。不過在1300V之后的實驗變形位移略大于仿真計算值，可能的原因是由于MFC所承受的電壓載荷趨近于其臨界值時，與小電壓相比，電場極化程度比電壓的倍數更強更顯著，因此驅動效果也要強于電壓的倍數關系。

圖3：MFC致動器位置與模型翼尖后緣主動變形的關系

圖3描述了壓電纖維致動器的位置與主動變形大小的關系。可以看出，受到機身為固定端并且使用金屬制造，剛度較大的影響，MFC致動器粘接位置離根部位置越遠，其產生的主動變形越大。這一點與模擬仿真的結果是相同的。

圖4：電壓加載速度與模型翼尖后緣主動變形的關系（以中間組為例）

在實驗中電壓的加載方式為呈線性增長直到所需電壓值然后穩(wěn)定不變，圖4描述了在分別使用50V/S，100V/S，150V/S的增長速度施加線性電壓，得到電壓加載速度與機翼主動變形大小的關系。從圖中可以看出，加載的速度與變形的大小關系不大，三種加載速度下的縮比模型變形偏差很小。因此在實際工程應用中，可以根據其他因素或實際需要，選擇理想的加載速度。

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