黏性流体环境中压电宏纤维致动柔性结构的流固耦合振动特性及试验

• 作者: 黄珏皓 娄军强 杨依领 陈特欢 陈海荣 魏燕定
• 来源期刊: 机械工程学报
• 学科: 工学
• 关键词: 水下柔性结构 流固耦合 水动力函数 压电宏纤维 动力学模型 频响特性
• 年，卷（期）: 2021,（22）
• 所属期刊栏目: 交叉与前沿
• 页码范围: 376-385
• 页数: 10页
• 分类号: TP24|TH113
• 语种: 中文
• DOI: 10.3901/JME.2021.22.376

摘要

柔性结构与周围流体的耦合作用机制广泛应用于仿生机器人、水下航行器、精密仪器及生命医疗等领域.具有驱动变形大、防水性好且柔韧性好的压电宏纤维(Macro fiber composite,MFC)致动器是水下柔性结构变形控制的首选.建立MFC内部致动弯矩和水动力载荷共同作用下柔性结构的流固耦合动力学模型.对粘贴MFC致动器的柔性结构特征截面进行计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)分析,得到不同振动特征频率下柔性结构周围流场、压力分布及所受水动力载荷,分别拟合得到MFC致动柔性结构水动力函数的实部和虚部表达式.结果表明柔性结构水动力载荷的附加质量和阻尼效应都随着振动频率的增加而减小.在等振动特征频率下,MFC致动梁结构水动力函数的实部大于匀质等截面梁的实部;在高振动频率下其水动力函数虚部同样大于匀质等截面梁.试验测试了 MFC致动柔性结构的水下振动特性,试验所得MFC激励下柔性结构末端稳定振动的幅频特性和相频特性与建立的耦合动力模型相吻合,证实了所建立MFC致动柔性结构的水动力函数及流固耦合振动模型的有效性.