壓電致動(dòng)器撲翼結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真*

田衛(wèi)軍1,，張亞鋒，李 郁

（1.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院機(jī)電工程系，西安 710124）

撲翼飛行器是一種通過(guò)機(jī)翼的上下?lián)鋭?dòng)來(lái)產(chǎn)生升力和推力的新概念飛行器。圖1為美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)所用鋯鈦酸鉛（PZT）材料制成的一角美元硬幣大小的機(jī)器蠅。空氣動(dòng)力學(xué)的研究成果表明[1]，對(duì)于主尺度小于15cm的微型飛行器，撲翼飛行方式比固定翼和旋翼飛行方式具有更大的升阻比，更強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力和更加靈活的機(jī)動(dòng)性。

常規(guī)的撲動(dòng)機(jī)構(gòu)由于自身原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)高頻率撲動(dòng)而使撲翼的氣動(dòng)效率較低，很大程度上制約了撲翼飛行器的發(fā)展。隨著壓電材料的發(fā)展，采用壓電致動(dòng)器的撲翼機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)撲翼高頻率撲動(dòng)的一種有效手段。與其他驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，壓電致動(dòng)器具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：工作頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、頻響速度快、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好(-20～150℃)、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既可以粘貼在結(jié)構(gòu)表面，還可以通過(guò)一定的工藝措施耦合到結(jié)構(gòu)之中。特別是犧牲層刻蝕技術(shù)的開(kāi)發(fā)，為壓電致動(dòng)器在撲翼飛行器上的應(yīng)用提供技術(shù)背景[2]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于壓電驅(qū)動(dòng)的新型撲動(dòng)機(jī)構(gòu)研究還處于理論探索階段。具有代表性的有西北工業(yè)大學(xué)的張西金等[3]對(duì)電磁振動(dòng)式微型撲翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，分析了不同電磁力激勵(lì)下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并獲得了系統(tǒng)的固有頻率；西北工業(yè)大學(xué)的侯宇等[4]根據(jù)昆蟲(chóng)撲翼飛行節(jié)律運(yùn)動(dòng)的原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)的兩自由度撲動(dòng)機(jī)構(gòu)。……