一种气动响应能量收集地面模拟实验系统的制作方法

本发明涉及一种针对于飞行器气动响应进行能量收集的地面模拟实验系统，属于航空飞行器设计和能源领域。

背景技术：

真实的飞行器具有一定弹性。以机翼为例，在平飞时机翼承受飞行器重力和气动力的作用，机翼在此作用力下会产生形变。由于空中气流的方向和速度呈现一定的随机性，同时，飞行器在飞行过程中也会遭遇突风、大气紊流等突然激励，这些均会导致作用在飞行器上的气动力发生变化。相应的，飞行器结构会在气动力作用下做出响应，即结构产生振动。从能量的观点来看，飞行器的这种振动是外界不断给飞行器系统输入能量的结果，设计师们长期以来致力于抑制这种不利振动，其思路多是耗散掉外界加入的能量。近年来，有学者提出可以将这部分能量收集起来，用来给飞行器进行能量补充。其总体思路是将压电片贴在主振动结构上，结构变形时带动压电片变形，从而将振动能量转化为电能。对于大型飞行器而言，这部分能量作用有限，但对于轻小型飞行器而言，其自身所需的能量较小，携带的能量也非常有限，通过收集飞行过程中的振动能量或许是提高其续航时间的一种有效途径。

目前研究飞行器气动响应能量收集的方法主要是数值仿真和飞行试验的方法。数值仿真的方法是针对压电材料和飞行器建立其力电耦合模型，通过仿真的方法预测气动响应下的能量收集效果。这个方法需要合理的假设和准确的建模参数，但由于非定常气动力模拟假设的不确定性、飞机结构参数的不确定性，数值仿真的能量收集效果需要经过试验验证。目前只有飞行试验的方法可以真实测量气动响应的能量。但受气动力随机性和不确定性等的影响，这种试验具有不可重复性，结果具有较大的不确定性，不利于研究不同材料、不同飞行器构型的气动响应能量收集效率，无法为飞行器设计和能源有效利用提供有价值的结论。

现有技术中，要在地面实现对飞行器气动响应能量收集的模拟，主要存在以下问题：

1.在地面难以模拟真实风场中的气流变化及其对飞行器产生的扰动影响。

2.在能量收集过程中，气动响应的随机性会导致输出电压的剧烈变化，常规蓄电装置难以满足宽频、随机的能量收集要求。

3.进行风洞实验成本高，周期长，操作复杂，不利于进行能量收集的研究。

基于上述情况，有必要提出一种新型的实验方法与装置，能够简单、准确的模拟飞行器气动响应能量收集特性。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种气动响应能量收集地面模拟实验系统，其应用对象是可能产生气动响应的弹性飞行器。该实验系统可实现变化风场对弹性飞行器产生的扰动的模拟加载，并能够对气动响应产生的能量进行收集和储存。

本发明提供的一种气动响应能量收集地面模拟实验系统，包括压电片、传感器、中控计算机、激振器、ac-dc转化及滤波电路、控制器和锂离子充电电池；所述的传感器包括力传感器、加速度传感器、速度传感器和位移传感器。

所述的压电片用于能量收集，粘贴于实验对象主梁根部应力最大处；所述的传感器的布置位置选择在实验对象上对应参数响应最大处；所述的中控计算机包括多通道数据采集模块和气动力数值计算模块，用于对采集到的各个传感器的响应信号进行处理和运算，得到试验对象变形数据和气动力数据结果；所述的激振器安装于实验对象的主承力结构稍部，用于模拟试验对象的气动力加载；所述的ac-dc转化及滤波电路，把压电片输出的交流电转化为直流电并使直流电压平整化；锂离子充电电池用于储存收集到的能量；所述的控制器，置于ac-dc转化及滤波电路的输出端和锂离子充电电池之间，控制输出电压，并为锂离子充电电池充电。

本发明的优点或有益效果在于：

1.本发明首次提出了一种在地面对气动响应进行能量收集试验的方法，可实现对气动响应能量收集的数值仿真结果的验证，并为理论建模提供修正，以此提出切实可行的能量收集策略，具有重要的实用价值。

2.本发明所提出的试验系统相比于风洞试验研究，成本低、可重复性好、可操作性强，非常适合用于对气动响应能量收集原理进行研究，具有很好的应用前景。

3.本发明中的能量收集压电片、整流电路和控制器均可以更换，便于研究压电片型号、尺寸以及能量收集管理电路各参数对能量收集效率的影响。

4.本发明提出的能量收集系统应用面广，可以用于二元翼段、板、梁、机翼、飞行器部件、飞行器全机等各类结构的能量收集研究。

5.本发明所设计的实验仪器设备，均可重复使用。相较于风洞实验动辄几十万元的消耗，成本相对低廉，且对场地无特殊要求，易于推广应用。

附图说明

图1本发明的气动响应能量收集地面模拟实验系统组成及工作原理示意图。

图2本发明的一种应用实例具体实现图。

图中：

1.ac-dc转化及滤波电路；2.控制器；3.锂离子充电电池；4.中控计算机；

5.压电片；6.铝梁；7.传感器；8.激振器；

9.地面支撑结构；10.信号线(所有虚线)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体说明本发明的技术方案。

本发明提出一种气动响应能量收集地面模拟实验系统，用于对试验对象进行气动响应能量收集。如图1所示，所述的地面模拟试验系统包括压电片、传感器、中控计算机、激振器、ac-dc转化及滤波电路、控制器和锂离子充电电池。所述的传感器包括力传感器、加速度传感器、速度传感器和位移传感器。

所述的压电片用于能量收集，粘贴于实验对象主梁根部应力最大处。所述的传感器的位置和数量，依据实验需求确定，布置位置选择在实验对象上对应参数响应最大处。所述的中控计算机包括多通道数据采集模块和气动力数值计算模块，用于对采集到的各个传感器的响应信号(包括位移、速度、加速度、电压、力等信号)进行处理和运算，得到试验对象变形数据和气动力数据结果。所述的激振器安装于实验对象的主承力结构稍部，用于模拟试验对象的气动力加载；所述的ac-dc转化及滤波电路，把压电片输出的交流电转化为直流电并使直流电压平整化；锂离子充电电池用于储存收集到的能量；所述的控制器，置于ac-dc转化及滤波电路的输出端和锂离子充电电池之间，控制输出电压，并为锂离子充电电池充电。

在进行模拟实验时，先给试验对象施加一个随机干扰，通过传感器收集响应信号，并将响应信号传输给中控计算机。在所述的中控计算机中，数据采集模块采集传感器发送的响应信号，所述的响应信号包括试验对象的位移、速度、加速度、电压和力信号，并发送给气动力数值计算模块；所述的气动力数值计算模块根据所述的响应信号，运算和处理后得到试验对象的结构变形及各种外界干扰数据结果，并将所述的数据结果发送给激振器。所述的激振器根据所述的数据结果进行附加气动力模拟，施加在试验对象上。通过这种方式，模拟真实风场对飞行器结构产生的扰动响应。

在能量收集方面，针对压电片的输出电压具有随机性和宽频带特点，设计可调电阻和电容的整流滤波电容，对电压进行最优平整化处理。ac-dc转化及滤波电路采用模块化设计，可根据实验情况不同对电路形式、电子元件形式及参数进行调整，通过这种方式，研究宽频随机的气动响应能量收集特性。

应用所述的试验模拟系统进行试验模拟，具体为:

首先由中控计算机输出一个初始信号，传递给气动力模拟加载激振器，激振器根据接收到的信号，激起实验对象的振动，由传感器采集到实验对象的振动响应，反馈给中控计算机，对输出信号进行修正，如此循环直至稳定。待振动稳定后，能量收集电路开始工作，由ac-dc转化及滤波电路对压电片的输出电压进行稳压和整流，之后经由控制器调整电压至锂离子充电电池充电的标准电压，对锂离子电池进行充电。

图2是本发明的一种应用实例，试验对象为某一机翼主承力结构。该结构用铝梁6模拟，铝梁的根部固定在地面支撑结构9上，稍部悬空。在铝梁根部上下表面粘贴压电片5，用来将振动能量转化为电能，产生的电能传输至ac-dc转化及滤波电路1，再通过控制器2的调节，对锂离子充电电池3进行充电。在所述铝梁6的稍部设置激振器8，激振力通过激振器8施加在所述铝梁6稍部的1/4弦线处，翼段两端和刚心处布置与传感器7，如图2所示，翼段两端位置均布置位移传感器，用来实时采集转角，在翼段刚心处布置速度传感器，用来实时采集沉浮速度。传感器7和激振器8通过信号线10与中控计算机4相连。

以下为此系统的工作流程：

1.在中控计算机4中设定大气状态等飞行参数，计算加载点处的稳定气动力，并进行预加载。将传感器7采集到的数据传入中控计算机4的气动力数值计算模块，计算压电结构对气动力的响应情况，以及其产生的附加气动力。将附加气动力加入原气动力并重新作为输入指令驱动激振器8工作，实现真实气动力的模拟加载。

2.在中控计算机4上调整飞行参数(速度，扰动频率等)，即可研究飞行状态对气动响应和实时产生电压的影响。

3.接通能量收集电路，即可开始能量收集过程。调整ac-dc转化及滤波电路1中的参数(电阻值，电路连接方式等)即可研究不同电路参数对能量收集的影响。