壓電式微小飛行器舵翼驅動器技術研究.pdf

1、微小飛行器(Micro Air Vehicle)因為其體積小、成本低、隱蔽性好，靈活機動等優(yōu)點而倍受人們的關注。舵翼作為飛行器的氣動控制結構，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、電動舵翼驅動裝置很難滿足微小飛行器的要求。隨著MEMS技術的發(fā)展，將一些新型驅動器應用于微小飛行器成為解決此類問題的首選途徑。國外學者在微小飛行器舵翼驅動技術領域做了一些研究工作，而國內相關領域的報道極少。
　　本文針對整體式壓電舵翼的

2、不足，提出了一種分段式壓電舵翼結構，通過建立靜力學、動力學模型，分析了壓電舵翼靜力學、動力學特性，研究了壓電舵翼結構設計方法。根據(jù)舵翼結構，設計了樣機的加工裝配工藝，并開展了壓電舵翼靜力學、動力學性能測試方法的研究，為壓電舵翼驅動技術的理論分析、結構設計以及性能測試提供參考。具體研究內容如下:
　　(1)針對壓電本構方程的復雜性，通過對壓電陶瓷材料力學性能，壓電特性的研究，排除了完整壓電本構方程中非線性應變項和電彈伸縮項的影響，得

3、到了符合壓電陶瓷力學性能和工作電壓范圍的壓電本構方程。
　　(2)研究了壓電雙晶片驅動器變形時內部的應力應變分布規(guī)律，根據(jù)分布規(guī)律，以變形協(xié)調方程為邊界條件，建立了壓電雙晶片驅動器在電壓作用下發(fā)生變形的靜力學模型。與其他壓電驅動器模型相比，本模型理論更加直觀清晰，表達式更加簡潔。
　　(3)通過力學實驗和電載荷實驗，測量靜力學模型所需要的物性參數(shù)。根據(jù)壓電雙晶片驅動器變形量級，設計搭建了光學非接觸測量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)測量了

4、驅動器在電壓作用下變形。實驗結果表明本文的靜力學模型正確地反映了壓電雙晶片驅動器在電壓下的變形。
　　(4)針對整體式壓電舵翼偏轉性能受尺寸影響的不足，提出一種分段式壓電舵翼結構，以靜力學模型為理論依據(jù)，分析了分段式壓電舵翼的靜力學性能。研究了壓電舵翼結構設計方法。
　　(5)根據(jù)分段式壓電舵翼結構特點，建立了舵翼系統(tǒng)的動力學模型，對分段式壓電舵翼的動力學性能進行了研究，揭示了分段式壓電舵翼的動力學本質，得到了舵翼系統(tǒng)的固有

5、頻率。
　　(6)根據(jù)分段式壓電舵翼結構，設計了舵翼加工裝配工藝，制作了原理樣機。在靜力實驗中，測量舵翼系統(tǒng)在電壓作用下的偏轉角度，實驗結果表明舵翼結構方案可行，設計方法正確。動力學實驗中，測量舵翼系統(tǒng)在階躍信號激勵下的動態(tài)響應，實驗結果表明本文動力學模型能夠較好的描述分段式壓電舵翼的動力學特性。結合動態(tài)響應與舵翼系統(tǒng)動力學模型得到舵翼的動力學特性參數(shù)，為舵翼控制奠定基礎。
　　本文建立了壓電雙晶片驅動器靜力學模型和壓電舵翼