仿生机翼形状非接触主动控制研究

本项目将以智能结构在航空航天领域的应用为牵引，重点研究下一代飞行器实现变体飞行的驱动技术及其形状主动控制等关键科学问题。提出基于光致伸缩材料(PLZT)和离子聚合物金属复合材料(IPMC)的新型复合式驱动器设计方法，研究复合式驱动器的力、电、光、热等多场耦合特性；在对禽类翼结构形式的仿生学研究基础上，探索基于新型复合式驱动器的仿生机翼"人工肌肉群"型的分布式驱动实现方法和控制策略；研究逆有限元列式及仿生机翼应变场的分布式监测方法，实现仿生机翼位移场的高效重构。将理论建模、计算机仿真和实验研究相结合，开拓基于新型复合式驱动器仿生机翼形状非接触主动控制新途径；项目的研究成果不仅能进一步促进智能材料结构研究的发展、完善和工程应用，增强学科发展的国际竞争力，而且可望为攻克重大航空、航天装备中的关键技术问题奠定必要的理论和技术基础，具有非常广阔的应用前景。

本项目旨在以智能结构在航空航天领域的应用为牵引，重点研究下一代飞行器实现变体飞行的驱动技术及其形状主动控制等关键科学问题。主要工作包括：(1).分析了PLZT陶瓷与IPMC薄膜两种材料的物理特性、驱动机理与数学模型，对PLZT陶瓷的光致伸缩效应与IPMC薄膜的电致动特性分别开展了实验研究，在此基础上，设计了IPMC薄膜过压保护电路，开展了非接触复合驱动性能测试实验研究；(2).根据铁木辛柯梁理论，建立了考虑粘贴层剪切应力和剥离应力的光电层合梁单元，并推导了光-电-力-热多场耦合情况下的有限元列式。(3). 以光致伸缩驱动器的拓扑分布和照射的光强值为设计变量，以光电层合结构的期望形状与控制形状的差值函数为适应度函数，提出了一种结合递阶遗传算法与有限元法的形状非接触控制新方法，与基于传统遗传算法的形状控制方法的计算结果的对比分析表明，新方法的结构形状与期望形状的最大绝对误差较传统遗传算法降低了65.5%以上，均方根误差降低了73.3%以上。(4).基于Abaqus软件进行二次开发，编写了PLZT材料子程序，搭建了Abaqus软件和Matlab的联合仿真平台，在此基础上以柔性机翼结构的位移最大化为目标函数，以粘贴于机翼结构表面的光致伸缩驱动器的位置和数目为设计变量，应用该联合仿真平台实现了光电层合机翼结构的位移优化。(5).提出了一种用于结构位移场重构的逆有限元列式方法，该方法以最小二乘法为基础，寻求一种结构位移场分布使其对应的应变计算值在最小二乘意义下应变场“实验结果”，对比分析表明重构出的结构位移结果与高密度网格传统有限元法的计算结果误差在5%以内，表明逆有限元法具有较高的重构精度和计算效率。项目组提出的复合驱动技术、非接触形状控制方法、多场耦合有限元列式、逆有限元列式等研究成果具有重要的科学意义，为柔性结构形状控制研究的发展、完善和工程应用奠定了必要的理论和技术基础，此外逆有限元法的研究对结构健康监测领域的进一步发展也具有推动作用。项目研究中，共发表论文13篇，其中SCI收录6篇，EI收录12篇，申报专利2项，培养博士生2名，硕士生8名。