包明鑫，苗 波，朱春玲

南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院 精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京 210016

0 引 言

飛機(jī)飛過(guò)云層時(shí)，云層中聚積的過(guò)冷水滴會(huì)與飛機(jī)外表面發(fā)生撞擊，水滴撞擊后會(huì)迅速在飛機(jī)表面結(jié)冰[1-2]。冰層在機(jī)翼前緣表面聚積會(huì)改變飛機(jī)的氣動(dòng)特性，使飛機(jī)的阻力增大、升力降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)飛機(jī)失控而墜毀[3]。為了避免飛機(jī)因?yàn)榻Y(jié)冰而造成損失，發(fā)展防除冰技術(shù)就顯得十分重要。到目前為止，國(guó)內(nèi)外研究人員發(fā)展了多種防除冰技術(shù)，主要有3大類：液體防除冰技術(shù)、熱力學(xué)防除冰技術(shù)和機(jī)械除冰技術(shù)[4]。其中，熱力學(xué)類的電熱防除冰技術(shù)和機(jī)械類的電脈沖除冰技術(shù)已經(jīng)在飛機(jī)上有所應(yīng)用[5]。

盡管這些技術(shù)都能達(dá)到防除冰的目的，但是它們都有各自明顯的缺點(diǎn)，例如能耗過(guò)高以及給飛機(jī)增加了額外的重量[6]。熱力學(xué)防除冰方法中，每平方米的待防護(hù)結(jié)構(gòu)表面就需要高達(dá)10 kW的功耗[7]。因此，發(fā)展一種低能耗、小質(zhì)量、小體積的防除冰技術(shù)就顯得尤為重要。

壓電除冰技術(shù)首先由國(guó)外學(xué)者提出，并受到廣泛的關(guān)注。壓電除冰技術(shù)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)[8]，通過(guò)安置在結(jié)構(gòu)表面的壓電作動(dòng)器（最常用的為壓電陶瓷[9-10]）的激振，引起待除冰結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而在結(jié)構(gòu)與冰層交界面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，當(dāng)剪切應(yīng)力超過(guò)冰層與結(jié)構(gòu)表面之間的黏附強(qiáng)度（大氣中的水結(jié)的冰為0.05～0.50 MPa）[11-13]，冰層就會(huì)從結(jié)構(gòu)表面脫落。國(guó)內(nèi)研究者也對(duì)壓電除冰技術(shù)在飛機(jī)機(jī)翼與風(fēng)力機(jī)葉片上的應(yīng)用進(jìn)行了研究[14-17]。譚海輝等[18-19]研究了風(fēng)力機(jī)葉片超聲波除冰理論與方法，提出風(fēng)力機(jī)葉片壓電除冰的最佳方案。Wang等[20]利用鈮酸鋰材料制成的壓電作動(dòng)器進(jìn)行了復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片上的除冰研究，分別給出了冰層厚度與除冰時(shí)間、能耗的關(guān)系式。Daniliuk等[11]分析了不同材料的超聲作動(dòng)器在金屬和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的除冰效果。文獻(xiàn)[21]研究了翼型內(nèi)表面壓電陶瓷的可貼范圍。文獻(xiàn)[22]的研究表明，在壓電除冰系統(tǒng)中，單個(gè)壓電陶瓷尺寸的選擇與振型的波長(zhǎng)有關(guān)。但是在實(shí)際除冰系統(tǒng)中，為了取得最佳除冰效果，需要在1個(gè)位置放置多塊壓電陶瓷，而關(guān)于壓電陶瓷布局選擇的研究還比較欠缺。針對(duì)這一問(wèn)題，本文在1個(gè)波峰或波谷布置多個(gè)壓電陶瓷，對(duì)壓電陶瓷的尺寸與間距對(duì)除冰效果的影響進(jìn)行研究。

近年來(lái)，復(fù)合材料在航空和風(fēng)力機(jī)行業(yè)大量應(yīng)用，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的一種[23-24]。本文所研究的結(jié)構(gòu)為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，其中基體材料為環(huán)氧樹(shù)脂，增強(qiáng)材料為玻璃纖維。

1 單個(gè)壓電陶瓷的有效面積對(duì)除冰效果的影響

1.1 復(fù)合材料平板的模態(tài)分析

對(duì)尺寸為300 mm×200 mm×2 mm的復(fù)合材料平板進(jìn)行模態(tài)分析，材料的物理參數(shù)如表1所示。其中E為楊氏模量，ν為泊松比，G為剪切模量，下標(biāo)x、y、z分別表示長(zhǎng)度、寬度、厚度3個(gè)方向。平板的纖維鋪層共有8層，每一層的厚度為0.25 mm，纖維的鋪設(shè)角度如圖1所示。提取平板的前六階模態(tài)，其位移振型如圖2所示。由圖2可以看出，平板的前六階振型都呈現(xiàn)沿平板長(zhǎng)度方向的“波峰-節(jié)點(diǎn)-波谷”分布，且節(jié)點(diǎn)位置的位移為0 ，波峰/波谷位置位移較大，這說(shuō)明除冰模態(tài)選擇時(shí)，應(yīng)使冰層處于波峰/波谷的位置。

表1 復(fù)合材料的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of composite materials

圖1 復(fù)合材料平板鋪層示意圖Fig.1 The ply orientation distribution of the composite plate

在壓電除冰有限元分析時(shí)，往往認(rèn)為模型中積冰的位置位于平板的中間[25-26]。這就需要選擇平板中間位置為波峰的某一階模態(tài)，即奇數(shù)階的模態(tài)。在用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)平板振動(dòng)時(shí)，為了獲得更好的激振效果，應(yīng)將壓電陶瓷布置在波峰/波谷的位置。為了有較多的位置安裝壓電陶瓷，在奇數(shù)階的模態(tài)中選取平板的第五階模態(tài)為除冰模態(tài)（波峰/波谷總數(shù)為5，可布置5處壓電陶瓷），由圖2可以看出第五階固有頻率為955.62 Hz。

圖2 平板振型圖Fig.2 The mode shapes of the plate

1.2 單個(gè)壓電陶瓷不同有效面積下的諧響應(yīng)分析

對(duì)“平板-冰層-壓電陶瓷”結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。冰層尺寸為20 mm×20 mm×1 mm，位于平板的中間波峰位置。冰層的密度為919 kg/m3、泊松比為0.33、楊氏模量為8.58×109Pa。

壓電陶瓷為PZT8，密度為7600 kg/m3，剛度cE、壓電常數(shù)e、介電常數(shù)εs矩陣表示如下：

為了分析單個(gè)壓電陶瓷的有效面積（壓電陶瓷與結(jié)構(gòu)的接觸面積）對(duì)除冰效果的影響，在壓電陶瓷總有效面積為900 mm2的前提下，將其分成了不同尺寸、不同數(shù)目的小塊壓電陶瓷，分別進(jìn)行諧響應(yīng)分析。單個(gè)壓電陶瓷尺寸及其有效面積如表2所示，不同數(shù)目的壓電陶瓷布局如圖3所示，圖中L表示不同布局下壓電陶瓷的總長(zhǎng)度（即圖中不同布局下黑線的總長(zhǎng)）。

圖3 不同數(shù)目的壓電陶瓷布局Fig.3 Layouts of different numbers of piezoelectric ceramics

表2 不同數(shù)目的壓電陶瓷的尺寸表（厚度為2 mm）Table 2 Dimensions of different numbers of piezoelectric ceramics（thickness is 2 mm）

選取了“平板-冰層-壓電陶瓷”模型中的4個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)觀察諧響應(yīng)結(jié)果，通過(guò)這4個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移來(lái)判斷激振效果的強(qiáng)弱。節(jié)點(diǎn)的位置如圖4所示，節(jié)點(diǎn)1、2位于冰層與平板交界面上，節(jié)點(diǎn)3、4位于冰層內(nèi)部。模型中的坐標(biāo)原點(diǎn)位于平板內(nèi)部中心位置，4個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別是（5，–5，1）、（–10，–10，1）、（5，–5，1.5）、（–10，–10，1.8），單位為mm。

圖4 4個(gè)節(jié)點(diǎn)位置示意圖Fig.4 The location of the four nodes

采用完全法諧響應(yīng)分析，設(shè)置的頻率范圍為905～1005 Hz，共100個(gè)載荷步，激勵(lì)電壓為200 V，阻尼系數(shù)設(shè)置為0.01。4個(gè)節(jié)點(diǎn)在頻率范圍內(nèi)的z向位移最大值隨單個(gè)壓電陶瓷面積的變化曲線如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，單個(gè)壓電陶瓷與平板的有效接觸面積為180 mm2，即大壓電陶瓷被分成尺寸相等的5小塊時(shí)，有比整塊大壓電陶瓷更好的激振效果（總接觸面積和能耗不變的前提下，壓電陶瓷由完整1塊改為小尺寸5塊時(shí)，節(jié)點(diǎn)位移的最大值平均增大了17.43%）。這是由于壓電陶瓷的剛度遠(yuǎn)大于復(fù)合材料平板的剛度，在平板振動(dòng)時(shí)陶瓷會(huì)對(duì)其產(chǎn)生抑制作用。當(dāng)使用1塊尺寸較大的完整壓電陶瓷時(shí)，與陶瓷接觸的整個(gè)平板區(qū)域受到抑制，而當(dāng)陶瓷分成小塊時(shí)，這種抑制作用相對(duì)分散。壓電陶瓷的數(shù)目為5時(shí)的節(jié)點(diǎn)位移-頻率曲線如圖6所示，由圖可知激振效果最佳的頻率接近平板結(jié)構(gòu)的第五階固有頻率。

圖5 節(jié)點(diǎn)最大位移隨單個(gè)壓電陶瓷有效面積的變化曲線Fig.5 The curve of the maximum displacements of nodes varying with the effective area of single piezoelectric ceramic

圖6 4個(gè)節(jié)點(diǎn)的頻響曲線Fig.6 Frequency response curve of four nodes

2 壓電陶瓷間距對(duì)除冰效果的影響

在平板振型的1個(gè)波峰/波谷處、單個(gè)壓電陶瓷尺寸為180 mm2的前提下，分析了壓電陶瓷的間距對(duì)激振效果和除冰效果的影響。在改變5塊壓電陶瓷的間距后，通過(guò)另外3個(gè)位于冰層與平板交界面上的節(jié)點(diǎn)的最大位移來(lái)分析壓電陶瓷間距對(duì)激振效果的影響，節(jié)點(diǎn)的位置如圖7所示，3個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別是（0，10，1）、（10，0，1）和（10，10，1），單位為mm。改變壓電陶瓷間距后的節(jié)點(diǎn)最大位移變化情況如圖8所示。

圖7 3個(gè)節(jié)點(diǎn)位置示意圖Fig.7 The location of the three nodes

圖8 最大位移隨壓電陶瓷間距變化曲線Fig.8 The curve between the maximum displacement and the spacing

隨著壓電陶瓷間距的增大，節(jié)點(diǎn)的最大位移逐漸減小。這表明：在平板振型的1個(gè)波峰或波谷的位置布置多個(gè)壓電陶瓷時(shí)，壓電陶瓷的間距越小，除冰效果越好。這是因?yàn)楹蛪弘娞沾傻某叽缗c間距相比，平板上由激振產(chǎn)生的位移是極小的；壓電陶瓷的間距越大，振動(dòng)在疊加前傳遞的距離就越大，因結(jié)構(gòu)阻尼而產(chǎn)生的損耗也越大，而這些損耗就會(huì)使平板原本較小的位移進(jìn)一步減小，從而降低除冰效果。

3 壓電陶瓷最佳布局下除冰效果驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)1、2節(jié)中所述的布局規(guī)律能否在低能耗的前提下達(dá)到除冰效果，在長(zhǎng)寬比不同的兩塊復(fù)合材料平板上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，計(jì)算了相應(yīng)條件下單位面積復(fù)合材料平板上的能耗。壓電陶瓷的功率可以由下式計(jì)算：

式中，U為電壓峰值，f為頻率，C為壓電陶瓷電容，可由下式求得：

式中，ε為介電常數(shù)，S為壓電陶瓷與平板接觸的有效面積，d為壓電陶瓷厚度。平板單位面積上的功率為：

其中Aplate為平板待防護(hù)面積。

3.1 長(zhǎng)寬比1.5的平板除冰效果驗(yàn)證

在參數(shù)如1.1節(jié)所述的復(fù)合材料平板上進(jìn)行了低頻與高頻下的除冰效果驗(yàn)證，平板的長(zhǎng)寬比為1.5。冰層與平板交界面上的剪切應(yīng)力為[12]：

3.1.1 低頻下的除冰效果驗(yàn)證

在平板五階振型的5個(gè)波峰/波谷上，按單個(gè)壓電陶瓷有效面積為180.0 mm2的方式布置了5個(gè)壓電陶瓷，其間距為1 mm，輸入電壓為300 V。壓電陶瓷在復(fù)合材料平板上的布局方式及頻率為0.955 kHz時(shí)的剪切應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 5個(gè)波峰/波谷上的壓電陶瓷布局及剪切應(yīng)力（0.955 kHz）Fig.9 Layout of piezoelectric ceramics on five peaks /valleys and shear stress (0.955 kHz)

圖9（a）中，紅色部分為壓電陶瓷，藍(lán)色部分為平板結(jié)構(gòu)。剪切應(yīng)力最大值σshear= 0.330 MPa。

根據(jù)引言中所述，大氣中的水結(jié)的冰與結(jié)構(gòu)間的黏附強(qiáng)度在0.05～0.50 MPa之間，文獻(xiàn)[20]也表明冰與復(fù)合材料之間的黏附強(qiáng)度為0.24 MPa，由此可知，在低頻條件下，利用本文所述的壓電陶瓷布局方式理論上可以滿足除冰需求。由式（3）可以求得此時(shí)的壓電陶瓷功率為53.75 W/m2。由圖9（b）還可以看出振動(dòng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力最大值都分布在壓電陶瓷所對(duì)應(yīng)的位置，這說(shuō)明應(yīng)將壓電陶瓷安置在平板內(nèi)側(cè)與冰層正對(duì)的位置。

3.1.2 高頻下的除冰效果驗(yàn)證

當(dāng)壓電陶瓷的激振頻率為其諧振頻率時(shí)，阻抗最小，將最大限度發(fā)揮壓電陶瓷的激振能力[27]，因此，在壓電陶瓷諧振頻率范圍內(nèi)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。以阻抗分析儀測(cè)得本文所使用的壓電陶瓷的諧振頻率為140.000 kHz。壓電陶瓷的布置方式仍然如圖9（a）所示。剪切應(yīng)力如圖10所示，最佳除冰頻率為139.800 kHz。

圖10 高頻（139.800 kHz）下的剪切應(yīng)力圖Fig.10 The shear stress at high frequency (139.800 kHz)

從圖10可以看出，剪切應(yīng)力σxz的最大值為0.488 MPa，出現(xiàn)在冰層的邊緣位置；剪切應(yīng)力σyz的最大值為1.430 MPa，出現(xiàn)在冰層的中間位置。從圖10（a）還可以看出，冰層中間位置剪切應(yīng)力σxz的值為0.276 MPa。根據(jù)式（4），冰層中間位置的總剪切應(yīng)力為1.450 MPa，大于冰層與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)間的黏附強(qiáng)度，因此在139.800 kHz的振動(dòng)頻率下，可以達(dá)到除冰的目的。由式（3）求得此時(shí)壓電陶瓷的總功率為7.870 kW/m2。

對(duì)比低頻下的諧響應(yīng)分析結(jié)果可知，在其他條件不變的前提下，將激振頻率由低頻提高到高頻可以有效增大交界面的剪切應(yīng)力，從而增強(qiáng)除冰效果。這是因?yàn)閴弘娞沾烧駝?dòng)頻率增大后，功率也相應(yīng)增大；但提高振動(dòng)頻率同時(shí)也意味著壓電陶瓷能耗的增加。對(duì)于復(fù)合材料表面而言，振動(dòng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力達(dá)到0.500 MPa左右就可以達(dá)到除冰目的，并不需要高達(dá)1.450 MPa。因此，除冰模態(tài)與振動(dòng)頻率應(yīng)該匹配，盡量減少除冰能耗。

3.2 長(zhǎng)寬比4.3的平板除冰效果驗(yàn)證

3.2.1 平板模態(tài)分析

在一塊長(zhǎng)寬比較大的復(fù)合材料平板上進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。平板尺寸為300 mm×70 mm×2 mm。對(duì)平板進(jìn)行了高頻與低頻下的模態(tài)分析，得到其五階固有頻率為932.64 Hz，其最接近壓電陶瓷諧振頻率（140.000 kHz）的一階固有頻率為139.966 kHz。平板的位移振型如圖11所示。

圖11 長(zhǎng)寬比4.3的平板振型圖Fig.11 Mode shape of the plate with the aspect ratio of 4.3

3.2.2 長(zhǎng)寬比4.3的平板諧響應(yīng)分析結(jié)果對(duì)比

分別在平板的五階固有頻率范圍內(nèi)和壓電陶瓷的諧振頻率范圍內(nèi)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。如圖12所示，由于待防護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸較小，所以僅在平板的中間位置布置5塊壓電陶瓷。諧響應(yīng)分析的參數(shù)設(shè)置與1.2節(jié)相同，每塊壓電陶瓷的尺寸為15 mm×12 mm×2 mm，輸入電壓為200 V，布局方式如圖12所示。不同頻率下，交界面剪切應(yīng)力值如表3所示。

圖12 長(zhǎng)寬比4.3的平板上的壓電陶瓷布局Fig.12 The layout of actuators on the plate with aspect ratio of 4.3

表3 不同激振頻率下的剪切應(yīng)力Table 3 Shear stresses in different vibration frequencies

由表3可知，在激振頻率為0.932 kHz（平板五階固有頻率）時(shí)，壓電陶瓷功率為0.010 kW/m2，振動(dòng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力為0.160 MPa，未達(dá)到冰層與平板黏附強(qiáng)度。因此，在振動(dòng)頻率較小時(shí)，為了達(dá)到除冰效果，應(yīng)布置較多的壓電陶瓷或提高輸入電壓值。

在激振頻率為140.000 kHz（壓電陶瓷的諧振頻率）時(shí)，總的剪切應(yīng)力為0.890 MPa，壓電陶瓷功率為2.000 kW/m2。此時(shí)的剪切應(yīng)力大于黏附強(qiáng)度，理論上可以達(dá)到除冰效果。

當(dāng)其他條件不變而激振頻率為平板的固有頻率139.966 kHz時(shí)，冰層與復(fù)合材料平板交界面上總的剪切應(yīng)力為1.720 MPa，壓電陶瓷功率為1.990 kW/m2，與激振頻率為140.000 kHz時(shí)的功率基本一致，而產(chǎn)生的交界面剪切應(yīng)力卻將近前者的2倍。這說(shuō)明合理選擇除冰模態(tài)可以增大剪切應(yīng)力，最終起到降低能耗的作用。

3.3 除冰效果驗(yàn)證過(guò)程中的能耗分析

為了對(duì)比3.1節(jié)與3.2節(jié)中驗(yàn)證的除冰效果，對(duì)壓電陶瓷功率進(jìn)行了分析。剪切應(yīng)力-能耗曲線如圖13所示，由于兩個(gè)平板的尺寸不同，因此考慮了平板單位面積上的功率。圖中U、f分別為電壓峰值和頻率。由圖可見(jiàn)：點(diǎn)5對(duì)應(yīng)的功耗遠(yuǎn)大于點(diǎn)3，但最終產(chǎn)生的交界面剪切應(yīng)力卻比點(diǎn)3處的小；點(diǎn)4對(duì)應(yīng)的功耗與點(diǎn)3基本相等，產(chǎn)生的交界面剪切應(yīng)力卻約為點(diǎn)3處的一半。這是由于點(diǎn)4與點(diǎn)5對(duì)應(yīng)的激振頻率為壓電陶瓷諧振頻率，而點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的激振頻率為接近諧振頻率的平板固有頻率。

圖13 能耗分析圖Fig.13 Energy analysis diagram

這表明在高頻范圍內(nèi)選擇除冰模態(tài)時(shí)，可以選擇最接近壓電陶瓷諧振頻率的那一階模態(tài)，因?yàn)檫@個(gè)頻率既是平板的固有頻率，振動(dòng)效果更好，又接近壓電陶瓷的諧振頻率，可以較好地發(fā)揮壓電陶瓷的激振能力。

3.4 復(fù)合材料平板失效分析

為了檢驗(yàn)除冰過(guò)程中振動(dòng)對(duì)復(fù)合材料平板本身造成的影響，進(jìn)行了失效分析。失效分析中的材料強(qiáng)度采用如表4所示的文獻(xiàn)[28]中的參數(shù)。其中XT、YT、ZT分別表示沿x、y、z方向的抗拉強(qiáng)度，XC、YC、ZC分別表示沿x、y、z方向的抗壓強(qiáng)度，Sxy、Syz、Sxz分別為x-y、y-z、x-z面內(nèi)的剪切強(qiáng)度，單位均為MPa。

表4 平板強(qiáng)度參數(shù)（MPa）[28]Table 4 The strength parameters of the plate (MPa)[28]

針對(duì)長(zhǎng)寬比不同的兩塊復(fù)合材料平板，在圖13中剪切應(yīng)力最大（點(diǎn)3）和壓電陶瓷能耗最大（點(diǎn)5）兩種極限情況下進(jìn)行了有限元失效分析。

圖14為兩平板的Tsai-Wu失效準(zhǔn)則破壞因子云圖。由圖可見(jiàn)，長(zhǎng)寬比較小的平板，破壞因子最小值與最大值分別為–0.057、0.026；長(zhǎng)寬比較大的平板，破壞因子最小值與最大值分別是–0.008、0.034。根據(jù)Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，破壞因子在（–1.000，1.000）之間時(shí)說(shuō)明結(jié)構(gòu)安全。因此，采用本文所述的壓電除冰方法，不會(huì)對(duì)復(fù)合材料平板本身造成損傷。

圖14 平板Tsai-Wu失效準(zhǔn)則破壞因子云圖Fig.14 Destory factors of Tsai-Wu failure criteria of two plates

4 除冰實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真結(jié)果表明，當(dāng)激振頻率為壓電陶瓷的諧振頻率（140.000 kHz）時(shí)，在長(zhǎng)寬比1.5的平板上布置5處壓電陶瓷產(chǎn)生的剪切應(yīng)力（1.450 MPa）比長(zhǎng)寬比4.3的平板上布置1處壓電陶瓷產(chǎn)生的剪切應(yīng)力（0.890 MPa）大。長(zhǎng)寬比4.3的平板上壓電陶瓷功率（2.000 kW/m2）比長(zhǎng)寬比1.5的平板上壓電陶瓷功率（7.870 kW/m2）低。因此，對(duì)長(zhǎng)寬比為4.3的復(fù)合材料平板壓電除冰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)主要分兩部分：除冰效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，壓電陶瓷布局規(guī)律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，為了確保冰層脫黏后在重力作用下掉落以記錄除冰所需時(shí)間，采用了在平板上粘接塊狀冰層的結(jié)冰方式。

4.1 除冰效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

除冰效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中的平板及緊固裝置如圖15（a）所示，壓電陶瓷布局如圖15（b）所示，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為–25 ℃的冷環(huán)境。為了觀察到冰層的直接掉落，采用的結(jié)冰形式為塊狀冰層。通過(guò)信號(hào)發(fā)生器與功率放大器改變壓電陶瓷的輸入功率與電壓（輸入功率可以由顯示的電壓值與電流值求得）。除冰結(jié)果如圖16所示。圖16（a）中的輸入功率為1.190 kW/m2，當(dāng)通電72 s后，附著的冰層發(fā)生第一次脫落；提高輸入功率至1.905 kW/m2時(shí)，通電后經(jīng)過(guò)38 s，冰層發(fā)生第一次脫落，如圖16（b）所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)固支方式Fig.15 The fixation method of the experiment

圖16 冰層脫落圖Fig.16 The figure of the ice de-bonding

平板的數(shù)值模擬結(jié)果顯示：壓電陶瓷按照3.2.2小節(jié)所述的布局方式，在振動(dòng)頻率為140.000 kHz時(shí)，理論上可以使冰層脫落。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在所有參數(shù)與仿真一致時(shí)，實(shí)驗(yàn)中觀察到了冰層的脫落。仿真結(jié)果說(shuō)明壓電陶瓷附近的區(qū)域有最大剪切應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)中也是壓電陶瓷附近的冰層最先脫落。當(dāng)壓電陶瓷的輸入功率提高60%時(shí)，冰層脫落時(shí)間減少了47%。這說(shuō)明提高輸入功率（電壓）可以較大程度地增強(qiáng)除冰效果、縮短除冰時(shí)間。

4.2 壓電陶瓷布局規(guī)律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證將尺寸較大的壓電陶瓷分成尺寸較小的若干小塊時(shí)除冰效果會(huì)增強(qiáng)、小塊壓電陶瓷間距越小除冰效果越好這兩個(gè)結(jié)論，針對(duì)尺寸為300 mm×70 mm×2 mm的復(fù)合材料平板進(jìn)行了壓電除冰實(shí)驗(yàn)。

如圖17所示，實(shí)驗(yàn)采用的較大的壓電陶瓷尺寸為40 mm×40 mm×1 mm，較小的壓電陶瓷尺寸為20 mm×20 mm×1 mm。壓電陶瓷布局規(guī)律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分為如圖17所示的3組，分別為完整大尺寸壓電陶瓷、間距為4 mm的小尺寸壓電陶瓷和間距為12 mm的小尺寸壓電陶瓷。每組實(shí)驗(yàn)分別在1.000 kHz、20.000 kHz及100.000 kHz范圍內(nèi)驗(yàn)證對(duì)應(yīng)布局的除冰效果。在實(shí)驗(yàn)溫度（–20 ℃）、塊狀冰層形成時(shí)間（5 h）及平板表面結(jié)冰時(shí)間（10 min）都相同的前提下，通過(guò)比較從壓電陶瓷通電至第1塊冰層掉落的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)衡量除冰效果的強(qiáng)弱。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。表中“De-bonding”一列中，“Yes”表示通電3 min 之內(nèi)觀察到了冰層掉落，此時(shí)“Time”表示從通電到第1塊冰層掉落所經(jīng)過(guò)的時(shí)間；“No”則表示3 min內(nèi)未觀察到冰層掉落。

圖17 壓電陶瓷布局Fig.17 The layout of piezoelectric ceramics

由表5中的數(shù)據(jù)可知：在壓電陶瓷功率接近的前提下，壓電陶瓷布局為完整一塊時(shí)，除冰所需時(shí)間最長(zhǎng)，在頻率較低時(shí)，采用該種布局未能在3 min內(nèi)達(dá)到除冰效果；而將壓電陶瓷分為尺寸較小的多個(gè)時(shí)，在能耗接近甚至減小的前提下除冰時(shí)間有較大程度縮短，這說(shuō)明將尺寸較大的壓電陶瓷分成尺寸較小的小塊，可以減弱壓電陶瓷對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的抑制，從而增強(qiáng)除冰效果。實(shí)驗(yàn)4、5、6中壓電陶瓷布局如圖17中布局2所示，實(shí)驗(yàn)7、8、9中壓電陶瓷布局如圖17中布局3所示。在振動(dòng)頻率、輸入電壓及壓電陶瓷功率接近的前提下，布局2的除冰時(shí)間明顯小于布局3，這說(shuō)明小塊壓電陶瓷的間距越小，最終除冰效果越好。

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Table 5 Experimental datas

5 結(jié) 論

1）在壓電陶瓷總的尺寸不變的前提下，合理改變陶瓷片數(shù)量可以提高激振產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，從而增強(qiáng)除冰效果。

2）在平板振型的1個(gè)波峰/波谷處布置多個(gè)壓電陶瓷時(shí)，壓電陶瓷間距越小，除冰效果越佳。

3）實(shí)驗(yàn)中，將壓電陶瓷按照最佳布局方式，在較小的功耗下達(dá)到了除冰效果；隨著輸入功率的增大，除冰時(shí)間有較大程度縮短。將尺寸較大的壓電陶瓷分成尺寸較小的多個(gè)后，相同能耗下除冰效果有所增強(qiáng)；減小壓電陶瓷的間距后，除冰時(shí)間進(jìn)一步縮短。