"В последние годы усилия многих исследовательских центров в области создания авиационной техники нового поколения направлены на разработку винтокрылых летательных аппаратов с активным управлением лопастями[14], чтодолжно обеспечить улучшение летнотехнических характеристик, снижение шума и вибраций,повышение живучести. Обязательным элементом этой перспективной технологии является система сенсинга/активации, использующая в качестве датчиков и силовых элементов пьезопреобразователи, размещаемые на управляемой
композитной конструкции. Возможность создания локального изгиба и кручения с помощью распределенных мощных актуаторов является необходимым условием эффективности адаптивного управления вибрациями конструкции. Инженерные решения активной лопасти с использованием составных актуаторов с большим
ходом, приводящие в движение элерон, использующие двухступенчатый усилитель механических перемещений также исследуются в настоящее время [3, 5]. Макрофибер композиты(MFC), или, иначе говоря, композиты с активными пьезоэлектрическими нитями (AFC) [2, 4,69] сохраняют наиболее важные качества ранних конструкций, такие, например, как высокая плотность энергии, направленность действия,гибкость и прочность, включая такие дополнительные возможности, как высокая производительность, однородность и повторяемость. Основными компонентами MFC являются слой экструдированных пьезоэлектрических нитей,окруженных защитным материалом полимерной матрицы, и помещенных между слоями нитей электродами, создающими электрическое поле.
Созданное в плоскости электрическое поле позволяет пьезоэлементам создавать практически удвоенные активируемые деформации по сравнению с обычными пластинчатыми, и в 4 раза большую плотность энергии. Эти свойства дают AFC возможности точного позиционирования и подавления вибраций.
Усилия специалистов, направленные на разработку эффективного способа управления крутильными и связанными изгибнокрутильными колебаниями очень важны в связи с тем, что такого рода колебания испытывает большинство авиационных конструкций (крылья, стабилизаторы, лопасти вертолета). Так как лопасти вертолета подвергаются интенсивным деформациям кручения, для создаваемой системы активного подавления вибраций необходимо решение проблемы разработки схемы размещения актуаторов, обеспечивающих сдвиг. Эти проблемы ранее рассматривались A. A. Bent, N. W. Hagood,и J. P. Rodgers [8] применительно к конструкции из ламината с укладкой слоев по схеме под углом 45° с имплантированными пьезоэлектрическими шнурами"
"Макроволоконный композит (Macro Fiber Composite, MFC, был изобретен инженерами НАСА в 1996 г., а коммерческое его распространение в 2002 г. начала корпорация Smart Material. Его основа – пьезокерамические полоски («волокна»), размещённые в слоёной структуре из адгезива, электродов и полиимидного основания (Рис. 2). Электроды имеют форму гребёнок, соединяющихся непосредственно с полосками из пьезокерамики. Вся структура толщиной несколько десятых долей миллиметра надёжно герметизируется
Рис. 1.
M атериал MFC.
Рис. 2.
Структура MFC.
Если к электродам приложить напряжение, полоска MFC изменит форму. Деформируя материал, с электродов можно получать пропорциональные сигналы
.(примечание - электрический сигнал - заряд, пропорциональный
виброускорению, поступает от пьезоэлектрического вибропреобразователя)
Таким образом, на основе MFC можно создать сенсоры деформации (изгиба, кручения, растяжения) и актуаторы (электромеханичесткие подвижные системы Рис. 3). Все варианты применения MFC взаимозаменяемы – то есть, сенсор деформации при приложенном напряжении превратится в актуатор, и наоборот.
Рис. 3.
Применение MFC.
Компания Smart Materials предлагает несколько основных типов материалов MFC:
- P1 – материал на основе пьезоэлементов d33. Его волокна расположены параллельно стороне. Под действием напряжения материал удлиняется;
- F1 – также основан на d33. Волокна ориентированы под углом 45°, материал скручивается при приложении напряжения.
- P2 – анизотропный материал, основанный на пьезоэлементах d31. Под действием напряжения он укорачивается по одному измерению.
- P3 – ортотропный, также основанный на d31. При приложении напряжения он удлиняется по одному измерению и укорачивается по другому.
Высокая чувствительность MFC и возможность одновременной работы как актуаторами, так и сенсорами открывают новые горизонты перед разработчиками самых разных изделий. Вот лишь несколько областей, где может применяться MFC:
- авиастроение: датчики деформаций, вибраций, состояния несущих элементов корпуса, изменение геометрии лопастей и крыльев
- машиностроение: управление точечной сваркой, позиционирование, волновая дефектоскопия, высокочастотные клапаны и вентили;
- автомобильная промышленность: антикрылья с изменяемой геометрией, датчики вибрации, ультразвуковые излучатели, интерфейсы управления с обратной связью; потребительская электроника: встроенные в одежду, обувь, пол генераторы энергии,спортивное оборудование, автономные системы безопасности
Как раз в 2002-2003 — Фирма HEAD начинает использовать ситему Intelligence Chip в лыжах и сноубордах.
В лыжи HEAD вшиты волокна называемые intellifibers, или «умные волокна» - они изготавливаются на основе пьезоволокна. Пьезоволокна преобразуют механическую энергию в электрическую, и наоборот.
Волокна intellifibers расположены в лыжах под углом 45 град, чтобы максимального сопротивляться торсионному скручиванию лыжи во время ведения поворота. Зона размещения волокон – прямо перед креплением – в месте, где скручивающие лыжу силы наиболее мощны.
Как работает торсионная пьезоволоконная система в лыжах HEAD?
Электрическая энергия, вырабатываемая волокнами intellifibers, течет по замкнутому контуру, таким образом, что кривые электрических импульсов переходят в противофазу, т.е. электрический импульс возвращается обратно в волокна уже с противоположным знаком, компенсируя возникшие раннее энергетические импульсы, которые пытаются скрутить лыжу. Встроенный резистор обеспечивает гашение продольных вибраций, за счет фильтрации разрушительных частот. Таким образом, электрическая энергия преобразуется в механическую, противодействуя скручиванию лыжи, а значит и проскальзыванию. Длительность всего процесса всего 5 миллисекунд."
Intelligence Chip - Принцип действия
Энергия, генерируемая волокнами intellifibers, посылается в микрочип, вмонтированный в лыжи. Чип способен в семь раз сильнее противодействовать скручиванию. Энергия чипа делает лыжи жестче и даже создает противодействующее усилие, быстро корректируя торсионное скручивание. Этот процесс занимает не более чем 5/1000’ секунды.
Head Intelligence Chip стабилизирует лыжи на скорости но не снижает при этом их естественной гибкости. Чем больше скорость и тверже склон тем более жесткой и послушной становится лыжа.
MACRO FIBER COMPOSITE - MFC в горной лыже (фото корпорации Smart Material)
И схема, которая раскрывает принцип работы системы активного подавления вибраций. (авиастроение)
