可变体结构形状控制驱动器与控制参数协同设计优化方法研究

Possessing the capability of shape adjustment according to versatile environments is a development trend for modern aircrafts to improve their flight performance. Hence the need to increase the knowledge about advanced actuator and control technology in order to ensure the high accuracy of complex structure deformation. The primary objective of the project is to contribute a systematic theory and method for the integrated design of inhomogeneous piezoelectric-fiber acruators, structures and control parameters applicable to shape morphing structures which mainly consist of base structures adhered with piezoelectric-fiber composites. The project will include the following contents: 1) Establishment of the mechanical-electrical coupling model and the optimal design theory for the spatial arrangements of the piezoelectric fibers. The complex deformation control (e.g., different local area with different curvature) can be achieved through the layout design of piezoelectric-fibers including the fiber direction, geometric dimension, relative distances among multiple fibers, cross-section shape, and so on. 2) Establishment of an innovative design theory for the electrode configuration and disposition. The appropriate working mode of the piezoelectric actuators can be obtained by adjusting the layout of the electrode which determines the electric fields distribution. 3) Establishement of a series of integrated design optimization theory and methodologies systematically considering piezo-fiber layout, electrode dispositon and control voltages. 4) Considering the morphing accuracy requirements of the shape control of several typical morphing structures, several effective design schemes of the the fiber layouts, eletrode configuration and diposition, and control voltages will be proposed according to the established integrated design theory to satisfy the desired control precision.

根据工作环境调整其飞行器姿态(形状)是改善飞行性能的重要途径。实现结构复杂变形控制必须研究先进的驱动器与控制技术。本项目旨在研究可用于变体结构形状控制的非均匀压电纤维驱动器与控制参数协同设计优化理论和方法，具体以基体表面粘附压电纤维驱动器的可变体结构为对象，1)研究建立非均布压电纤维驱动器力电耦合分析模型、压电纤维空间布置优化设计理论和方法，通过设计驱动器内部压电纤维的空间布置(纤维方向、尺寸及间距等)以实现不同部位具有不同曲率的复杂变形控制；2)研究建立电极合理布置的设计理论和方法，利用电极布置以调整电场分布，从而实现合理的驱动器工作模式；3)研究建立压电纤维布置、电极布置及控制电压协同设计的优化理论和方法；4)针对几种典型可变结构的形状控制需求，提出能够实现精确形状控制的压电纤维空间布置与电极布置的驱动器结构和控制电压的协同设计方案。

根据工作环境调整其飞行器姿态（形状）是改善飞行性能的重要途径。实现结构复杂变形控制必须研究先进的驱动与控制技术。本项目旨在研究可用于变体结构形状控制的驱动器与控制参数协同设计优化理论和方法，具体以基体表面粘附压电纤维驱动器的可变体结构为对象，1）研究建立非均布压电纤维驱动器力电耦合分析模型、压电纤维空间布置优化设计理论和方法，通过设计驱动器内部压电纤维的空间布置（纤维方向、尺寸及间距等）以实现不同部位具有不同曲率的复杂变形控制；2）研究建立驱动器布局优化的设计理论和方法，利用电极布置以调整电场分布，从而实现合理的驱动器工作模式；3）研究建立驱动器布置及控制电压协同设计的优化理论和方法；4）针对几种典型可变结构的形状控制需求，提出能够实现精确形状控制的压电纤维空间布置与电极布置的驱动器结构和控制电压的协同设计方案。.相关技术成果发表期刊论文28篇，其中SCI检索论文16篇，EI检索论文10篇, 已录用待发表论文2篇，授权国家发明专利10项，参加国内外各类会议15次，会议宣读论文15篇，培养毕业博士研究生1名，毕业硕士研究生8名， 2人获大连理工大学优秀硕士论文，获仪器仪表学报优秀论文奖1次，国际会议最佳报告奖1次，最佳会议组织奖1次。. 这些研究成果可以用于可变体飞行器关键结构和控制系统的设计，对于改善飞行器的空气动力学性能、增加续航时间、扩大飞行包线（高度、速度）等飞行性能具有重要应用价值，为推动我国航空飞行器的跨越式发展提供了重要技术储备。