壓電陶瓷布局對除冰效果的影響研究

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)動技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，南京 210016

0 引 言

飛機(jī)飛過云層時，云層中聚積的過冷水滴會與飛機(jī)外表面發(fā)生撞擊，水滴撞擊后會迅速在飛機(jī)表面結(jié)冰[1-2]。冰層在機(jī)翼前緣表面聚積會改變飛機(jī)的氣動特性，使飛機(jī)的阻力增大、升力降低，嚴(yán)重時會引發(fā)飛機(jī)失控而墜毀[3]。為了避免飛機(jī)因為結(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，例如能耗過高以及給飛機(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]，通過安置在結(jié)構(gòu)表面的壓電作動器（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，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]，冰層就會從結(jié)構(gòu)表面脫落。國內(nèi)研究者也對壓電除冰技術(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間、能耗的關(guān)系式。Daniliuk等[11]分析了不同材料的超聲作動器在金屬和復(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，單個壓電陶瓷尺寸的選擇與振型的波長有關(guān)。但是在實際除冰系統(tǒng)中，為了取得最佳除冰效果，需要在1個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。針對這一問題，本文在1個波峰或波谷布置多個壓電陶瓷，對壓電陶瓷的尺寸與間距對除冰效果的影響進(jìn)行研究。

近年來，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)氧樹脂復(fù)合材料，其中基體材料為環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)材料為玻璃纖維。

1 單個壓電陶瓷的有效面積對除冰效果的影響

1.1 復(fù)合材料平板的模態(tài)分析

對尺寸為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分別表示長度、寬度、厚度3個方向。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)沿平板長度方向的“波峰-節(jié)點-波谷”分布，且節(jié)點位置的位移為0 ，波峰/波谷位置位移較大，這說明除冰模態(tài)選擇時，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，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)動平板振動時，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 單個壓電陶瓷不同有效面積下的諧響應(yīng)分析

對“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：

為了分析單個壓電陶瓷的有效面積（壓電陶瓷與結(jié)構(gòu)的接觸面積）對除冰效果的影響，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度（即圖中不同布局下黑線的總長）。

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個節(jié)點來觀察諧響應(yīng)結(jié)果，通過這4個節(jié)點的位移來判斷激振效果的強(qiáng)弱。節(jié)點的位置如圖4所示，節(jié)點1、2位于冰層與平板交界面上，節(jié)點3、4位于冰層內(nèi)部。模型中的坐標(biāo)原點位于平板內(nèi)部中心位置，4個節(jié)點的坐標(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個節(jié)點位置示意圖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個載荷步，激勵電壓為200 V，阻尼系數(shù)設(shè)置為0.01。4個節(jié)點在頻率范圍內(nèi)的z向位移最大值隨單個壓電陶瓷面積的變化曲線如圖5所示。

由圖5可見，單個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，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，節(jié)點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，在平板振動時陶瓷會對其產(chǎn)生抑制作用。當(dāng)使用1塊尺寸較大的完整壓電陶瓷時，與陶瓷接觸的整個平板區(qū)域受到抑制，而當(dāng)陶瓷分成小塊時，這種抑制作用相對分散。壓電陶瓷的數(shù)目為5時的節(jié)點位移-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)點最大位移隨單個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個節(jié)點的頻響曲線Fig.6 Frequency response curve of four nodes

2 壓電陶瓷間距對除冰效果的影響

在平板振型的1個波峰/波谷處、單個壓電陶瓷尺寸為180 mm2的前提下，分析了壓電陶瓷的間距對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，通過另外3個位于冰層與平板交界面上的節(jié)點的最大位移來分析壓電陶瓷間距對激振效果的影響，節(jié)點的位置如圖7所示，3個節(jié)點的坐標(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)點最大位移變化情況如圖8所示。

圖7 3個節(jié)點位置示意圖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)點的最大位移逐漸減小。這表明：在平板振型的1個波峰或波谷的位置布置多個壓電陶瓷時，壓電陶瓷的間距越小，除冰效果越好。這是因為和壓電陶瓷的尺寸與間距相比，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證

為了檢驗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，在長寬比不同的兩塊復(fù)合材料平板上進(jìn)行了仿真驗證，計算了相應(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 長寬比1.5的平板除冰效果驗證

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證，平板的長寬比為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證

在平板五階振型的5個波峰/波谷上，按單個壓電陶瓷有效面積為180.0 mm2的方式布置了5個壓電陶瓷，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時的剪切應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 5個波峰/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）可以求得此時的壓電陶瓷功率為53.75 W/m2。由圖9（b）還可以看出振動產(chǎn)生的剪切應(yīng)力最大值都分布在壓電陶瓷所對應(yīng)的位置，這說明應(yīng)將壓電陶瓷安置在平板內(nèi)側(cè)與冰層正對的位置。

3.1.2 高頻下的除冰效果驗證

當(dāng)壓電陶瓷的激振頻率為其諧振頻率時，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的振動頻率下，可以達(dá)到除冰的目的。由式（3）求得此時壓電陶瓷的總功率為7.870 kW/m2。

對比低頻下的諧響應(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。這是因為壓電陶瓷振動頻率增大后，功率也相應(yīng)增大；但提高振動頻率同時也意味著壓電陶瓷能耗的增加。對于復(fù)合材料表面而言，振動產(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)與振動頻率應(yīng)該匹配，盡量減少除冰能耗。

3.2 長寬比4.3的平板除冰效果驗證

3.2.1 平板模態(tài)分析

在一塊長寬比較大的復(fù)合材料平板上進(jìn)行了對比驗證。平板尺寸為300 mm×70 mm×2 mm。對平板進(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 長寬比4.3的平板諧響應(yīng)分析結(jié)果對比

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，壓電陶瓷功率為0.010 kW/m2，振動產(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，在振動頻率較小時，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，總的剪切應(yīng)力為0.890 MPa，壓電陶瓷功率為2.000 kW/m2。此時的剪切應(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，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 除冰效果驗證過程中的能耗分析

為了對比3.1節(jié)與3.2節(jié)中驗證的除冰效果，對壓電陶瓷功率進(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：點5對應(yīng)的功耗遠(yuǎn)大于點3，但最終產(chǎn)生的交界面剪切應(yīng)力卻比點3處的小；點4對應(yīng)的功耗與點3基本相等，產(chǎn)生的交界面剪切應(yīng)力卻約為點3處的一半。這是由于點4與點5對應(yīng)的激振頻率為壓電陶瓷諧振頻率，而點3對應(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，可以選擇最接近壓電陶瓷諧振頻率的那一階模態(tài)，因為這個頻率既是平板的固有頻率，振動效果更好，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

為了檢驗除冰過程中振動對復(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]

針對長寬比不同的兩塊復(fù)合材料平板，在圖13中剪切應(yīng)力最大（點3）和壓電陶瓷能耗最大（點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，長寬比較小的平板，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）之間時說明結(jié)構(gòu)安全。因此，采用本文所述的壓電除冰方法，不會對復(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 除冰實驗驗證

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，在長寬比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。長寬比4.3的平板上壓電陶瓷功率（2.000 kW/m2）比長寬比1.5的平板上壓電陶瓷功率（7.870 kW/m2）低。因此，對長寬比為4.3的復(fù)合材料平板壓電除冰進(jìn)行了實驗驗證。實驗主要分兩部分：除冰效果驗證實驗，壓電陶瓷布局規(guī)律驗證實驗。實驗中，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 除冰效果驗證實驗

除冰效果驗證實驗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，實驗環(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。通過信號發(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，通電后經(jīng)過38 s，冰層發(fā)生第一次脫落，如圖16（b）所示。

圖15 實驗固支方式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，在振動頻率為140.000 kHz時，理論上可以使冰層脫落。相應(yīng)的實驗結(jié)果也驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在所有參數(shù)與仿真一致時，實驗中觀察到了冰層的脫落。仿真結(jié)果說明壓電陶瓷附近的區(qū)域有最大剪切應(yīng)力，實驗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，冰層脫落時間減少了47%。這說明提高輸入功率（電壓）可以較大程度地增強(qiáng)除冰效果、縮短除冰時間。

4.2 壓電陶瓷布局規(guī)律驗證實驗

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

如圖17所示，實驗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)律驗證實驗分為如圖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。每組實驗分別在1.000 kHz、20.000 kHz及100.000 kHz范圍內(nèi)驗證對應(yīng)布局的除冰效果。在實驗溫度（–20 ℃）、塊狀冰層形成時間（5 h）及平板表面結(jié)冰時間（10 min）都相同的前提下，通過比較從壓電陶瓷通電至第1塊冰層掉落的時間長短來衡量除冰效果的強(qiáng)弱。最終實驗結(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“Time”表示從通電到第1塊冰層掉落所經(jīng)過的時間；“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，除冰所需時間最長，在頻率較低時，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時，在能耗接近甚至減小的前提下除冰時間有較大程度縮短，這說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結(jié)構(gòu)振動的抑制，從而增強(qiáng)除冰效果。實驗4、5、6中壓電陶瓷布局如圖17中布局2所示，實驗7、8、9中壓電陶瓷布局如圖17中布局3所示。在振動頻率、輸入電壓及壓電陶瓷功率接近的前提下，布局2的除冰時間明顯小于布局3，這說明小塊壓電陶瓷的間距越小，最終除冰效果越好。

表5 實驗結(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個波峰/波谷處布置多個壓電陶瓷時，壓電陶瓷間距越小，除冰效果越佳。

3）實驗中，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，除冰時間進(jìn)一步縮短。