《仿生機翼形狀非接觸主動控制研究》是依託南京航空航天大學，由鄭世傑擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：仿生機翼形狀非接觸主動控制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：鄭世傑
- 依託單位：南京航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目將以智慧型結構在航空航天領域的套用為牽引，重點研究下一代飛行器實現變體飛行的驅動技術及其形狀主動控制等關鍵科學問題。提出基於光致伸縮材料(PLZT)和離子聚合物金屬複合材料(IPMC)的新型複合式驅動器設計方法，研究複合式驅動器的力、電、光、熱等多場耦合特性；在對禽類翼結構形式的仿生學研究基礎上，探索基於新型複合式驅動器的仿生機翼人工肌肉群型的分散式驅動實現方法和控制策略；研究逆有限元列式及仿生機翼應變場的分散式監測方法，實現仿生機翼位移場的高效重構。將理論建模、計算機仿真和實驗研究相結合，開拓基於新型複合式驅動器仿生機翼形狀非接觸主動控制新途徑；項目的研究成果不僅能進一步促進智慧型材料結構研究的發展、完善和工程套用，增強學科發展的國際競爭力，而且可望為攻克重大航空、航天裝備中的關鍵技術問題奠定必要的理論和技術基礎，具有非常廣闊的套用前景。
結題摘要
本項目旨在以智慧型結構在航空航天領域的套用為牽引，重點研究下一代飛行器實現變體飛行的驅動技術及其形狀主動控制等關鍵科學問題。主要工作包括：(1).分析了PLZT陶瓷與IPMC薄膜兩種材料的物理特性、驅動機理與數學模型，對PLZT陶瓷的光致伸縮效應與IPMC薄膜的電致動特性分別開展了實驗研究，在此基礎上，設計了IPMC薄膜過壓保護電路，開展了非接觸複合驅動性能測試實驗研究；(2).根據鐵木辛柯梁理論，建立了考慮貼上層剪下應力和剝離應力的光電層合梁單元，並推導了光-電-力-熱多場耦合情況下的有限元列式。(3). 以光致伸縮驅動器的拓撲分布和照射的光強值為設計變數，以光電層合結構的期望形狀與控制形狀的差值函式為適應度函式，提出了一種結合遞階遺傳算法與有限元法的形狀非接觸控制新方法，與基於傳統遺傳算法的形狀控制方法的計算結果的對比分析表明，新方法的結構形狀與期望形狀的最大絕對誤差較傳統遺傳算法降低了65.5%以上，均方根誤差降低了73.3%以上。(4).基於Abaqus軟體進行二次開發，編寫了PLZT材料子程式，搭建了Abaqus軟體和Matlab的聯合仿真平台，在此基礎上以柔性機翼結構的位移最大化為目標函式，以貼上於機翼結構表面的光致伸縮驅動器的位置和數目為設計變數，套用該聯合仿真平台實現了光電層合機翼結構的位移最佳化。(5).提出了一種用於結構位移場重構的逆有限元列式方法，該方法以最小二乘法為基礎，尋求一種結構位移場分布使其對應的應變計算值在最小二乘意義下應變場“實驗結果”，對比分析表明重構出的結構位移結果與高密度格線傳統有限元法的計算結果誤差在5%以內，表明逆有限元法具有較高的重構精度和計算效率。項目組提出的複合驅動技術、非接觸形狀控制方法、多場耦合有限元列式、逆有限元列式等研究成果具有重要的科學意義，為柔性結構形狀控制研究的發展、完善和工程套用奠定了必要的理論和技術基礎，此外逆有限元法的研究對結構健康監測領域的進一步發展也具有推動作用。項目研究中，共發表論文13篇，其中SCI收錄6篇，EI收錄12篇，申報專利2項，培養博士生2名，碩士生8名。
