小型翼型飞行器的气动弹性振动俘能与抑振方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51875116
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0503.机械动力学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Small airfoil aircrafts have wide application prospects in military and civilian products. However, the air flow with a high Reynolds number causes the aeroelastic vibration of wings, which not only increases the energy consumption, but also leads disadvantages of flight control. Based on this, this project proposes the idea of piezoelectric energy harvesting and vibration suppression for aeroelastic vibration of small airfoil aircrafts. A mathematical model of the characteristic of aerodynamic elastic vibration with multi-scale and multimodal is established by the method of coupling CFD (Computational Fluid Dynamic) and CSD (Computational Structural Dynamics). Configurations of piezoelectric energy harvesters and vibration suppression systems are designed. The energy harvesting and storaging process and the vibration suppression process are simulated by the fluid-solid-electric multi-physical field coupling. The characteristics and regularity of that the nonlinearity of aeroelastic vibration affect performances of energy harvesters and vibration suppression system are investigated. The control algorithm is written, and adaptive control circuits for energy harvesting and storaging and vibration suppression are designed. Prototypes of energy harvesters and vibration suppression systems are developed, integrated and encapsulated. A wind tunnel test platform is built. The system dynamic response and output characteristics of the aircraft are tested to verify the correctness of the theoretical modeling and numerical simulation analysis. The mechanism of energy harvesting and vibration suppression of small airfoil aircraft under aeroelastic vibration is revealed. The research results of this project will provide a strong theoretical and technical support for the smooth and stable flight control of a stand-alone small airfoil aircraft or clustered small airfoil aircrafts.
小型翼型飞行器在军事和民品上都有广泛的应用前景。然而,高雷诺数的空气流动使机翼产生气动弹性振动,不仅增加能耗,还引起飞控弊端。基于此,本项目提出面向小型翼型飞行器气动弹性振动的压电俘能与振动抑制的思想。采用耦合CFD和CSD的方法建立多尺度、多模态的气动弹性振动特性数学模型;设计压电俘能和抑振系统的构型,对其俘能/储能过程和振动抑制过程进行流-固-电多物理场耦合模拟,探索气动弹性振动非线性对俘能器的性能和抑振系统的性能影响特点和规律;编写控制算法,设计俘能/储能与振动抑制的自适应控制电路,研制俘能与抑振系统的样机并进行结构集成封装;搭建风洞试验平台,测试飞行器的系统动力学响应和输出特性,验证理论建模和数值模拟仿真分析的正确性;揭示小型翼型飞行器在气动弹性振动下俘能与抑振的机制。本项目的研究成果将为小型翼型飞行器的单机和集群式平稳飞控提供有力的理论和技术支持。

结项摘要

小型翼型飞行器在军事和民品上都有广泛的应用前景,本项目提出了面向翼型飞行器的,基于空气弹性振动和机械振动复合振动模式下的俘能与振动抑制机制与方法研究。探索了小型翼型飞行器机翼的气动弹性振动特性,对涡激振动、尾流激振、颤振进行了数学建模与数值模拟;推导了基于准稳态、非定常和动态失速模型的压电俘能器系统数学模型。设计并研制了多种构型的翼型颤振俘能器样机。另外,从压电效应和叠堆致动器工作原理,建立了压电梁振动的主动控制结构模型,实现了振动结构的系统辨识,并基于线性控制方法设计了控制器,探索了振动抑制的自适应控制算法、振动抑制控制系统的数学建模与优化设计的理论方法。研制了不同的集成型压电自感知执行器,提出了消除电场干扰的新方法。设计并研制了俘能/储能与振动抑制的自适应控制电路;通过模拟分析获得了俘能与抑振过程的流-固-电多物理场耦合特性,搭建了非线性气动弹性振动下压电俘能/储能实验系统,通过实验验证了各个理论分析的正确性,获得了气动弹性振动非线性对翼型俘能器的性能和抑振系统的性能影响特点与规律。到目前为止,本项目共发表了SCI论文18篇,其中一区Top期刊论文7篇;并在《中国机械工程》和《力学学报》两个中文权威期刊分别发表了1篇论文;获得国家发明专利授权3项;培养了2名博士和3名硕士。本项目的研究结果为气动弹性振动俘能系统的开发利用,以及机电装备的振动抑制提供了理论和技术支持。期望在未来三至五年内能够将振动抑制技术应用于无人机激光光电吊舱或者其它精密智能装备中,将带来一定的经济效益和社会效应。

项目成果

期刊论文数量(20)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
涡激振动型水力复摆式压电俘能器的仿真与实验研究
  • DOI:
    10.13465/j.cnki.jvs.2017.19.012
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    振动与冲击
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    宋汝君;单小彪;范梦龙;谢涛
  • 通讯作者:
    谢涛
A new integrated piezoelectric sensactor for eliminating the electric field interference
一种消除电场干扰的新型集成压电传感器
  • DOI:
    10.1016/j.measurement.2018.10.083
  • 发表时间:
    2019-02
  • 期刊:
    Measurement
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Yunlei Liang;Xiaobiao Shan;Tao Xie
  • 通讯作者:
    Tao Xie
A curved panel energy harvester for aeroelastic vibration
用于气动弹性振动的曲面面板能量收集器
  • DOI:
    10.1016/j.apenergy.2019.04.153
  • 发表时间:
    2019-09-01
  • 期刊:
    APPLIED ENERGY
  • 影响因子:
    11.2
  • 作者:
    Shan, Xiaobiao;Tian, Haigang;Xie, Tao
  • 通讯作者:
    Xie, Tao
Equivalent circuit modeling and analysis of aerodynamic vortex-induced piezoelectric energy harvesting
气动涡激压电能量收集的等效电路建模与分析
  • DOI:
    10.1088/1361-665x/ac4ab4
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
    Smart Materials and Structures
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Jinda Jia;Xiaobiao Shan;Xingxu Zhang;Tao Xie;Yaowen Yang
  • 通讯作者:
    Yaowen Yang
A novel seesaw-like piezoelectric energy harvester for low frequency vibration
一种用于低频振动的新型跷跷板式压电能量收集器
  • DOI:
    10.1016/j.energy.2022.125241
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Energy
  • 影响因子:
    9
  • 作者:
    Han Yu;Chengwei Hou;Xiaobiao Shan;Xingxu Zhang;Henan Song;Xiaofan Zhang;Tao Xie
  • 通讯作者:
    Tao Xie

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其他文献

基于压电俘能器的流体能量俘获技术研究现状
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    2019
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    宋汝君;单小彪;杨先海;许同乐;杨小辉;谢涛
  • 通讯作者:
    谢涛
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    2018
  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    谢涛
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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    --
  • 作者:
    袁江波;谢涛;陈维山;单小彪
  • 通讯作者:
    单小彪
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    振动与冲击
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    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    2.No.214 Research Institute,China North Industries
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    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    西安交通大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈维山;袁江波;谢涛;单小彪
  • 通讯作者:
    单小彪

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单小彪的其他基金

压电智能柔性复合梁非线性耦合振动能量的传递机制及其抑振关键技术研究
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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