[发明专利]一种基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置及方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置，尤其适应于飞机防除冰系统、风力机叶片防除冰等，属于机械振动技术领域。

背景技术：

飞机在某些飞行条件下，迎风部件表面会受到云层中过冷水滴的撞击而结冰，从而影响到相关部件的性能。例如，发生在机翼前缘的结冰会引起机翼表面的气流分离，造成飞机气动和操作性能的下降；而发生在发动机进气道前缘的结冰，则会对发动机的性能以及稳定性造成不利影响。因这些部件结冰而造成的空难不仅是航空史上的，也是人类文明的重大灾难。因此，飞机的防除冰一直是各航空大国研究的重要内容。

风能作为一种储量巨大且安全、洁净的能源，在全世界范围内都受到了极大的重视。风力发电是风能利用的主要形式，然而安装在寒冷地区或海上的风力发电机组，其桨叶的结冰问题会严重影响到系统的性能和安全性，甚至会引发重大事故。因此，一套可用并且成熟的风力机桨叶防除冰技术的出现便迫在眉睫。

一般来说，风力机桨叶和飞机机翼具有相似的翼型，因此，目前对风力机桨叶的防除冰主要采用一些现有的飞机机翼防除冰方法。针对飞机机翼结冰提出的防除冰方法有很多种，近些年出现的使用压电材料的振动防除冰方法，因其对材料的损伤小、能耗低、成本低、维修简单等优点，受到越来越多研究人员的追捧。其中研究较多的是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，通过在弹性体表面上产生的超声Lamb波和水平剪切波将冰除去，但这种方法并未考虑到单位能量下弹性体是否达到最佳振动效果，并且超声振动的频率越高产生的应力也就相应减小，甚至不能达到除冰要求。此外超声波的反射问题也使系统的相应匹配变的复杂。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出一种利用目标结构的两种固有模态在目标结构上产生行波的方法，最大限度的利用了目标结构的弹性能，并消除了因单一模态而产生的节线，降低了除冰后依然存在残留冰的可能性。 

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于面内或面外模态的行波型压电材料振动防除冰装置，其特征在于：包括激发第一种振型的第一压电振子、激发第二种振型的第二压电振子、信号发生器以及功率放大器，所述信号发生器具有两个输出端，其中一个输出端连接激发第一种振型的第一压电振子，另一输出端连接激发第二种振型的第二压电振子，在所述的信号发生器输出端与第一压电振子、第二压电振子之间均连接有所述的功率放大器，所述的第一振型为目标结构的第一种面内振动模态或第一种面外振动模态，所述的第二振型为目标结构的第二种面内振动模态或第二种面外振动模态，所述的第一种面内振动模态和第二种面内振动模态相互叠加后生成在目标结构上行进的面内行波或第一种面外振动模态与第二种面外振动模态相互叠加后生成在目标结构上行进的面外行波。

其中第一振型和第二振型在选取时应避免在目标结构需要除冰的位置上产生重合的节线，且在选取时以低阶较好，从而能够产生足够大的表面应力将冰除去。

所述信号发生器输出端输出两个频率相同，相位相差π/2的正弦电信号。

所述第一压电振子和第二压电振子具有相同的规格，其使用的压电材料的两端均镀有金属电极，其中一端金属电极粘贴固定在目标结构上并接地，另一端金属电极与功率放大器的输出端相连。

所述的第一压电振子和第二压电振子的粘贴位置为各自所激励的应变振型的应变最大处，且粘贴在目标结构结冰表面的背面。同时粘贴位置的选取应避免在激励其中一种应变振型时，由于两种振型频率接近而可能产生的振型叠加现象。

压电振子所使用的压电材料在选取时应当考虑目标结构材料的机械性能。如果目标结构的刚度较大，那么压电材料的压电性要强，且刚度也要较大，否则不易激励目标结构产生强度满足除冰要求的振动。

向激发第一种振型的压电振子输入电压驱动信号使其产生振动，所述振动激励出目标结构的第一种面内振动模态或第一种面外振动模态；向激发第二种振型的压电振子输入电压驱动信号使其产生振动，所述振动激励出目标结构的第二种面内振动模态或第二种面外振动模态。两个面内或面外振动模态相互叠加后生成在目标结构上行进的面内或面外行波，此面内或面外行波能够在目标结构与冰层的交界面上产生足够大的应力，从而将冰除去。

输入到两种压电振子上的电压驱动信号具有相同的频率，并且所述频率与目标结构上激励出的两种振动模态的频率相同，或者介于二者之间。输入到两种压电振子上的电压驱动信号相差π/2相位。