薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置转让专利
申请号 : CN202110188049.4
文献号 : CN112985738B
文献日 : 2021-11-19
发明人 : 戴玉婷 , 黄广靖 , 杨超
申请人 : 北京航空航天大学
摘要 :
权利要求 :
1.薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置,其特征在于: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;金属薄板上安装有压电片;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;后缘轴两端面设计有六边形孔与六角扳手配合插接,通过六角扳手单独对后缘轴进行旋转操作,调节橡胶薄膜的预应力。
2.如权利要求1所述的薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置,其特征在于:薄膜机翼两端与机翼连接转盘间紧密接触无缝隙。
3.如权利要求1所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置,其特征在于:连接板上周向设计刻度,用于查看迎角角度。
4.如权利要求1所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置,其特征在于:机翼连接转盘的旋转通过摇臂实现,首先设计连接轴为空心轴,且端部对侧设计插接口;同时在摇臂端部设计插入空心轴内的插头,并在插头两侧设计插入插接口凸起。
5.如权利要求1所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置,其特征在于:金属薄板与前缘轴间固定方式为:在前缘轴上沿前缘轴轴向设计有插缝,金属薄板插入到插缝内;同时在前缘轴轴向上分布至少两个螺纹孔,该螺纹孔与插缝相通,通过拧紧螺纹孔内安装的螺栓实现金属薄板顶紧固定。
6.如权利要求5所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置,其特征在于:螺栓整体位于螺纹孔内,且通过金属薄板在前缘轴上的卷绕对螺纹孔进行遮挡。
7.如权利要求1所述薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置,其特征在于:金属薄板与橡胶薄膜间,通过金属薄板侧边处设计的插接段与橡胶薄膜侧边处设计的插槽插接配合固定。
8.针对权利要求1所述的薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置的试验方法,其特征在于:
首先,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。
说明书 :
薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置
技术领域
背景技术
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。
的流致振动结构响应和流场结构进行了详细的研究。
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:
发明内容
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。
膜,安装于后缘轴上。上述金属薄板上安装有压电片。
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。
角调节;调节完毕后,将各个锁紧螺母锁紧。
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。
动进行压电能量收集。
简单和使用寿命长等优点。
提升能量收集效率。
附图说明
具体实施方式
孔的矩形板,垂直于两条底梁102,设置于靠近两条底梁102两端位置,且底边与两条底梁
102固定。左右两侧挡板101内侧面之间用于设置薄膜机翼3。刻度盘103为圆盘,通过外缘周
向均布的支柱固定于挡板101外侧面,且与挡板101中心圆孔同轴。刻度盘103外侧面周向上
等角度间隔设计有刻度。
盘2的内侧壁与挡板101内侧壁齐平,避免对流经薄膜机翼的气流造成影响。两个机翼连接
转盘2中心位置同轴设计有连接轴201,与支座1间的连接方式相同,具体为:机翼连接转盘2
中心位置连接轴201穿过刻度盘103中心位置开孔;同时在机翼连接转盘2上,位于刻度盘
103两侧安装有锁紧螺母,由此通过拧紧刻度盘103两侧锁紧螺母,实现机翼连接转盘2在左
右两侧挡板101的中心圆孔内的同轴定位。
后缘轴302左右两端均设计有环形台肩。前缘轴301与后缘轴302左端分别穿过左侧的机翼
连接转盘2中轴线两侧相对位置上设计的通孔,随后穿过左侧的刻度盘103竖直平分线两侧
对称设计的与刻度盘103同心的圆弧槽104后,由环形台肩与左侧的机翼连接转盘2配合限
位;最后通过拧紧前缘轴301与后缘轴302左端上安装的锁紧螺母,实现前缘轴301与后缘轴
302在左侧的机翼连接转盘2上的位置固定。同理,前缘轴301与后缘轴302右端分别穿过右
侧的机翼连接转盘2中轴线两侧相对位置上设计的通孔,随后穿过右侧的刻度盘103竖直平
分线两侧对称设计的与刻度盘103同心的圆弧槽104后,由环形台肩与右侧的机翼连接转盘
2配合限位;最后通过拧紧前缘轴301与后缘轴302右端上安装的锁紧螺母,实现前缘轴301
与后缘轴302在右侧的机翼连接转盘2上的位置固定。
前侧边沿前缘轴301轴向设置,并与前缘轴301固定。如图2所示,金属薄板303与前缘轴301
间具体固定方式如下:在前缘轴301上沿前缘轴301轴向设计有插缝301a,同时在前缘轴301
轴向上分布至少两个螺纹孔301b,该螺纹孔301b与插缝301a相通。在金属薄板303安装时,
首先将金属薄板303前缘插入到前缘轴301上的插缝301a内,随后通过在前缘轴301两端螺
纹孔301b内安装螺栓拧紧,由螺栓将金属薄板303顶紧固定,且螺栓整体位于前缘轴301内。
此时在前缘轴301上卷绕金属薄板303即可。上述金属薄板303需紧密贴合的卷绕于前缘轴
301上,将前缘轴301上开设的螺纹孔303b遮挡,防止由于螺纹孔303b的存在时前缘轴301表
面不平整,影响气流流动。
薄膜304横向的插槽304a,该插槽304a的宽度等于金属薄板303的插接段303a厚度,由此通
过将金属薄板303的插接端与橡胶薄膜304前段插槽304a配合插接,实现金属薄板303与橡
胶薄膜304间的固定,如图3所示。为便于金属薄板303与橡胶薄膜304间的连接,可将橡胶薄
膜304设计为双层结构,分别将两层橡胶薄膜304与金属薄板303的插接段303a贴合固定后,
再将两层橡胶薄膜304间粘接固定成整体。橡胶薄膜304后侧边沿后缘轴302轴向设置,宽度
与金属薄板303宽度相同,橡胶薄膜304后部通过粘合剂粘接固定于后缘轴302上。由此在前
缘轴301与后缘轴302间撑开由金属薄板303与橡胶薄膜304构成的薄膜结构机翼部分;且金
属薄板303与橡胶薄膜304的宽度设计为与两侧机翼连接转盘2水平距离相同,使薄膜机翼3
两侧与机翼连接转盘2间无缝隙,消除了薄膜机翼展向流动的三维效应;同时前缘轴301与
后缘轴302均设计为圆形截面,使撑开的机翼部分呈更好的流线型,气动性能更好。
式中在金属薄板303横向上等间隔安装十二个压电片4。
翼3的迎角(薄膜机翼3与水平面之间的夹角)调整,迎角调整角度可通过刻度盘103上的刻
度进行读取。为了实现机翼连接转盘2的旋转,将两侧机翼连接转盘2中心连接轴201设计为
空心轴,外端对侧设计插接口202;同时设计用于与连接轴201配合的摇臂5,在摇臂5端部设
计插头501,插头501外径设计与连接轴201内径相等,同时在插头501外壁相对位置设计两
个柱状凸起502,柱状凸起502直径等于插接口202宽度,如图4所示。由此,通过将摇臂5的插
接端段插入连接轴201内,使插头501上的柱状凸起502与连接轴201上的插接口202配合插
接,实现摇臂5与连接轴201间的轴向定位,此时转动摇臂5即可带动机翼连接转盘2转动。同
时,上述结构的薄膜机翼3流致振动压电能量收集试验装置中,在后缘轴302两端面设计有
六边形孔6,如图1所示,用于与六角扳手配合插接,进而通过六角扳手可单独对后缘轴302
进行旋转操作,在不改变薄膜机翼3迎角的情况下,实现后缘轴302的独立转动,使后缘轴
302相对于后缘轴302的刚度中心旋转,进而卷起橡胶薄膜304,橡胶薄膜304外置的宽度变
小,预应力增加。
时前缘轴301和后缘轴302同样顺时针在圆弧槽104内转动。
两端的锁紧螺母固定后缘轴302。
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。
可以粘贴的压电片就会很小,可收集的能量就会很小,因此可通过更换不同长度的金属薄
板,改变金属薄板在前缘轴301和后缘轴302之间的长度占比,达到气动性能和能量收集性
能的均衡。因此本发明中设计金属薄板303在前缘轴301和后缘轴302之间的长度占比为机
翼部分弦长的20%,满足不低于薄膜机翼3的气动性能的90%,对气动性能基本没有影响,
且可提升能量收集性能。