[发明专利]薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置

说明书

本发明公开了一种薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，属于气动弹性能量收集技术领域，包括支座、薄膜机翼和压电片；支座两侧两挡板之间通过机翼连接转盘安装薄膜机翼，该薄膜机翼通过转轴盘带动实现迎角可调。薄膜机翼包括前后缘轴、前部金属薄膜和后部橡胶薄膜，金属薄膜上串联压电片；在进行薄膜机翼迎角调节时：首先，对薄膜机翼进行迎角调节；调节到试验需要迎角后固定；随后通过转动后缘轴卷收橡胶薄膜，施加需求应力，最后在气流作用下，该薄膜机翼产生流致振动，压电片将应变能转化为电能。本发明可有效延长压电片的使用寿命；且在保证不影响薄膜机翼的气动性能的同时，实现不同环境下的能量收集，保证能量转化效率。

技术领域

本发明涉及一种压电能量收集试验装置，具体是一种薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，属于气动弹性能量收集技术领域。

背景技术

微型固定翼飞行器由于几何尺寸小和飞行速度低，其飞行雷诺数属于低雷诺数流动，导致其气动性能大幅降低。同时，其在遭遇阵风时容易出现失速现象，影响其纵向稳定性。另外，由于微型飞行器的载重量较低，目前电池的能量密度难以在短时间内进行突破，使得微型飞行器的飞行时间和飞行距离受到很大的限制。

薄膜机翼利用薄膜的大柔性，薄膜在气流作用下振动，能大幅提升机翼的升阻比，延缓机翼失速，并且提升机翼失速后的气动性能。因此，现有技术对薄膜机翼在不同攻角下的流致振动结构响应和流场结构进行了详细的研究。

但是，目前未涉及利用薄膜进行流致振动压电能量收集的装置；现有方式，一般是在结构表面直接粘贴压电片的方式，这样做，一方面由于压电片的弹性模量远远高于薄膜机翼橡胶材料，导致结构被动变形变小，气动性能下降；另一方面压电片也会在反复的大变形作用下出现疲劳断裂。故现有的压电能量收集方式存在难以实际工程应用、影响薄膜机翼的气动性能等问题。因此在现有技术中，对于飞行器进行能量收集的装置主要存在以下待解决问题：

1、对能量收集装置进行设计时，如何减小压电片附近的弯曲大变形，避免其疲劳断裂；

2、设计机械结构时，如何使其可以调整攻角和薄膜预应力，提升能量收集装置在不同环境下的能量转化效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，通过橡胶薄膜和金属薄板结合的机翼结构，有效减小了在流致振动中金属薄板的变形程度，延长压电片的使用寿命。同时，利用压电片对薄膜机翼进行能量收集，同时保证不影响薄膜机翼的气动性能，实现不同环境下的能量收集，保证能量转化效率；且可实现同时调整迎角、金属薄板的长度和薄膜的预应力，改善能量收集效率。

本发明一种薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，设计有安装于支座两侧挡板间迎角可调节的薄膜机翼。薄膜机翼前部为金属薄板，安装于前缘轴上，后部为橡胶薄膜，安装于后缘轴上。上述金属薄板上安装有压电片。

为实现薄膜机翼迎角可调，本发明设计有机翼连接转盘。薄膜机翼的前缘轴与后缘轴两端分别穿入相对设置的两个机翼连接转盘上的开孔，通过两端设计的台肩结构实现与机翼连接转盘间的轴向定位。进一步前缘轴与后缘轴两端分别穿过挡板外侧架设的连接板上设计的两条弧形槽，端部安装锁紧螺母。机翼连接转盘设置于支座两侧挡板中心开孔内，且保证机翼连接转盘内侧面与挡板内侧面齐平；机翼连接转盘通过中心连接轴穿过连接板，并在连接轴上位于连接板两侧安装锁紧螺母。

在进行薄膜机翼迎角调节时：首先，松开前缘轴端部锁紧螺母、后缘轴端部锁紧螺母以及两个机翼连接转盘连接轴上的锁紧螺母；此时，旋转机翼连接转盘，实现薄膜机翼迎角调节；调节完毕后，将各个锁紧螺母锁紧。

本发明在进行流致振动压电能量收集试验时，首先，使用根据试验要求调节薄膜机翼迎角；随后，通过单独旋转后缘轴，调节橡胶薄膜预应力达到要求；最后，在气流的作用下，橡胶薄膜产生流致振动，带动金属薄板发生弯曲变形，压电片利用压电效应将应变能转化为电能，经过AD-DC转化电路和控制器的平整化处理后，将电能储存在锂离子充电电池中。