CN103883813B - 一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统，包括加油软管，该加油软管内密封嵌设有电变流体和设在该电变流体相对两侧的电极层；还包括传感单元、控制单元及电流放大单元，该传感单元设在所述加油软管上，该传感单元电连接所述控制单元的输入端，该控制单元的输出端通过所述电流放大单元电连接至所述电极层上。本发明智能加油软管系统在保持传统加油软管优点（可实现多机同步加油、以由绞盘收放、质量轻等）的同时，通过连续（可逆）地调整加油软管的动态特性，还能够有效地避免传统加油软管在大气紊流、加油机和受油机等外界激励的共同作用下发生共振和颤振现象，从而保障空中加油过程中人机安全。
Description
技术领域
本发明涉及智能材料领域的技术，尤其是指把智能材料（电变流体）嵌入空中加油机加油软管中形成的一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统。
背景技术
自上个世纪80年代以来,以智能材料与智能结构为代表的高效、高精度系统与结构，因其具有可控、体积小、承载力大、高效率、高精度等优良特性，而得到了人们的高度重视，在航空航天、能源、交通、医疗、建筑及国防等领域都有广泛的应用前景,形成了一个集控制、材料、力学和物理等多学科交叉的新型研究领域。此研究方向已被列入国家发展规划中重点发展的方向之一,体现了国防和国民经济的强烈需求。
工程中常见的智能材料有压电陶瓷、超磁（电）致伸缩材料、形状记忆合金及磁(电)变流体等。上世纪40年代末，Winslow（1947）首先提出了电变流体Elect-Rheological(ER)Fluid的概念以及电变流体阻尼器（1949）的设计理念。所谓电变流体就是将微米级别的导电颗粒随机分散于非导电液体溶液中，从而形成悬浮液（电变流体）。电变流体在无外加电场下体现出典型的流体特性；在外加电场的作用下，随机分布的导电微粒会迅速地（毫秒级）被极化并重新排列而使电变流体的粘度在极短时间内迅速增加两个数量級以上，从而表现出固体特性；去掉电场后，导电材料又会恢复随机分布的状态，而使电变流体恢复液体的特性。
电变流体具有剪切和挤压强度连续可调、响应快速和可逆转变的奇特性质，是独一无二的软硬程度可调节的智能材料。根据其不同的工作模式(剪切，挤压，流动),可用于离合器、阻尼系统、减震器、制动系统、无级变速、液体阀门、机电耦合控制、机器人等，在几乎所有的工业和技术领域均有广泛应用。利用电变流体的挤压工作模式，将其嵌入结构中,通过调整电场改变电变流体刚性与阻尼特性，以实现对结构动态特性的调整，从而实现在不同载荷状况下对结构的振动控制，尤其在极端载荷状况下，例如共振与颤振。
1923年8月27日第一架代号为DH-4B的空中加油机被载入航空史册以来，随着加油机的发展，目前加油的方式可分为软管加油和硬管加油。相较于软管加油，硬管空中加油系统的主要优点是输油能力高；而其主要缺点是同时只能对一架飞机加油。软管加油的软管可有由绞盘控制放出和回收，它可对多架飞机同时输油，这样就大大降低了编队飞机加油的时间。因而软管加油方式是空中加油机发展的主流。
软管式空中加油系统在设计、生产与应用过程中需突破与解决的一个关键技术难题就是软管本身对大气紊流相当敏感，输油管会在空中飘动。在受油机、加油机与大气环境的作用下，加油软管极易产生共振与颤振现象，从而导致机毁人亡的严重事故。这也是制约软管式空中加油系统发展的一个瓶颈。西方国家在此领域的研究开展得较早，也有相应的解决方案，例如对空中加油时的大气环境建立严格的监测与设立标准。但是，由于软式绳索系统（软式加油管）本身的动力学模型目前仍然不明确，而其西方国家在该领领域对我国进行严密的技术封锁，制约着我们国家在该领域的发展。而该领域的研究对国家安全有着重要的意义！
发明内容
有鉴于此，针对我国加油软管所面对的瓶颈，本发明提出一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统，解决加油软管对空中大气紊流较敏感问题，有效地避免传统加油软管在大气紊流及加油与受油机等外界因素共同激励下所产生共振和颤振的现象。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统，包括加油软管，该加油软管内密封嵌设有电变流体和设在该电变流体相对两侧的电极层；还包括传感单元、控制单元及电流放大单元，该传感单元设在所述加油软管上，该传感单元电连接所述控制单元的输入端，该控制单元的输出端通过所述电流放大单元电连接至所述电极层上。
所述电变流体嵌于所述加油软管的位置为该加油软管振动模式下的对应波腹点的位置。
所述加油软管内还嵌设有防静电层，该防静电层设在所述电极层的外侧位置。
所述加油软管内还嵌设有密封包围所述电变流体和电极层的封严层。
所述加油软管内还嵌设有防静电层，该防静电层隔设在所述封严层和电极层之间。
所述传感单元采用压电陶瓷片，该压电陶瓷片表贴在所述加油软管上。
所述电极层设在所述电变流体对应沿所述加油软管壁厚方向上的内外相对两侧位置。
所述电极层采用铝膜材料制成。
本发明是根据智能材料（电变流体）所具有的挤压强度连续可调、响应迅速且可逆转变的物理特性，创新地提出一种基于该智能材料实现可快速连续（可逆）改变空中加油软管动态特性的智能加油软管系统，该智能加油软管系统能够实时探测加油软管工作状态，并可根据需要迅速调整加油软管固有频率。由此本发明智能加油软管系统在保持传统加油软管优点（可实现多机同步加油、可由绞盘收放、质量轻等）的同时，通过连续（可逆）地调整加油软管的动态特性，还能够有效地避免传统加油软管在大气紊流、加油机和受油机等外界激励的共同作用下发生共振和颤振现象，从而保障空中加油过程中人机安全。
附图说明
图1本发明智能加油软管系统的加油软管和传感单元的结构示意图；
图2是本图1中A-A的剖视图；
图3是本发明加油软管系统的工作原理简图。
标号说明
加油软管1电变流体2
电极层3防静电层4
封严层5传感单元6
控制单元7电流放大单元8
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本案作进一步详细的说明。
为了解决传统加油软管在设计与使用过程中的难点（也是关键点）：解决加油软管对大气紊流较敏感的问题，尤其是在极端情况下的共振与颤振问题，本发明提出一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统，如图1-3所示，主要包括加油软管1、电变流体2、电极层3、传感单元6、控制单元7及电流放大单元8。
所述加油软管1其作为系统的基本载体，采用普通加油软管。电变流体2和电极层3密封嵌于加油软管1内，嵌入方式可以采用点嵌入式、网状嵌入式、条形嵌入式，等等。电变流体2嵌于加油软管1内的位置不受限制，为了充分发挥电变流体2改变加油软管1的固有频率的作用，优选地，电变流体2嵌于加油软管1内的位置为加油软管1振动模式下的对应波腹点的位置。电极层3设在电变流体2的相对两侧位置，较佳地设在电变流体2对应沿加油软管1壁厚方向上的内外相对两侧位置，由此通过电极层3间的电场强度的变化，来改变电变流体2的物理特性。电极层3优选轻质导电材料，比如采用铝膜材料制成。
所述传感单元6设在加油软管1上，用于实时对加油软管1的拉伸应力等进行检查，以探测加油软管1在工作状态下的应力分布（区域）。优选地，该传感单元6采用压电陶瓷应力传感器（压电陶瓷片），该压电陶瓷片表贴在加油软管1上。控制单元7和电流放大单元8可以和加油软管1分离设置，传感单元6电连接控制单元7的输入端，控制单元7的输出端通过电流放大单元8电连接至电极层3上。控制单元7是整个加油软管系统的控制中心，其通过传感单元6反馈的应力信号判断加油软管1的工作状态，再决定电流放大单元8输出电流的大小和方向。电流放大单元8（电流放大器）是为电极层3提供电流，电极层3间的电场强度通过电流放大单元8实现实时调节，从而达到调节电变流体2的极化程度的目的。
如图3所示，加油软管在工作时，对电极层3施加一初始电流（比如“0”值电流，可为根据需要调整）。加油软管1工作过程中，受到大气紊流、加油机和受油机等外界条件的激励而发生振动。表贴在加油软管1管壁的压电陶瓷应力传感器对管壁的拉伸应力进行实时检测，并反馈给控制单元7。当控制单元7探测到加油软管1的激振频率过于接近软管自身固有频率（软管有产生共振与颤振的风险）时，通过电流放大单元8改变电极层3的通电电流（包括改变通电电流的大小和方向）。电极层3中电场强度随之改变，电变流体2中的导电颗粒的极化程度同时发生变化，从而改变电变流体2的物理特性，最终使加油软管1动态特性产生变化（固有频率发生偏移），从而达到避免发生共振和颤振现象的目的。
优选地，加油软管1内还嵌设有防静电层4，该防静电层4设在电极层3的外侧位置，以起防静电作用。较佳地防静电层4采用包围方式设在电极层3的外侧。
优选地，加油软管1内还嵌设有密封包围电变流体2和电极层3的封严层5，具体的该封严层5采用硅胶对供电变流体2的嵌入腔室进行密封。进一步加油软管1内还嵌设有防静电层4，该防静电层4隔设在封严层5和电极层3之间，较佳的采用包围方式隔设在封严层5和电极层3之间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，本实施例只对嵌入电变流体的一个腔室进行详细描述，意在说明该发明的想法和工作原理，对智能材料电变流体嵌入形式未作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统，其特征在于：包括加油软管，该加油软管内密封嵌设有电变流体和设在该电变流体相对两侧的电极层；还包括传感单元、控制单元及电流放大单元，该传感单元设在所述加油软管上，该传感单元电连接所述控制单元的输入端，该控制单元的输出端通过所述电流放大单元电连接至所述电极层上；
所述电变流体嵌于所述加油软管的位置为该加油软管振动模式下的对应波腹点的位置。
2.如权利要求1所述的一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统，其特征在于：所述加油软管内还嵌设有防静电层，该防静电层设在所述电极层的外侧位置。
3.如权利要求1所述的一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统，其特征在于：所述加油软管内还嵌设有密封包围所述电变流体和电极层的封严层。
4.如权利要求3所述的一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统，其特征在于：所述加油软管内还嵌设有防静电层，该防静电层隔设在所述封严层和电极层之间。
5.如权利要求1所述的一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统，其特征在于：所述传感单元采用压电陶瓷片，该压电陶瓷片表贴在所述加油软管上。
6.如权利要求1所述的一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统，其特征在于：所述电极层设在所述电变流体对应沿所述加油软管壁厚方向上的内外相对两侧位置。
7.如权利要求1所述的一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统，其特征在于：所述电极层采用铝膜材料制成。
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