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1、(10)申请公布号 CN 103883813 A (43)申请公布日 2014.06.25 CN 103883813 A (21)申请号 201410091509.1 (22)申请日 2014.03.13 F16L 11/00(2006.01) B64D 39/04(2006.01) (71)申请人 华侨大学 地址 362000 福建省泉州市丰泽区城东华侨 大学 (72)发明人 杨帆 陈天柱 林添良 夏明博 杨磊 (74)专利代理机构 泉州市文华专利代理有限公 司 35205 代理人 陈智海 (54) 发明名称 一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系 统 (57) 摘要 本发明公开一种基于智能。
2、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。
3、安全。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103883813 A CN 103883813 A 1/1 页 2 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。
4、极层上。 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。 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防静电层， 该防静电层设在所述电极层的外侧位置。 4. 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。 5. 如权利要求 4 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。
5、电层， 该防静电层隔设在所述封严层和电极层之间。 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。 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。 8. 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。 权 利 要 求 书 CN 103883813 A 2 1/4 页 3 一种基于智能材料的嵌入式智能加油软管系统 技。
6、术领域 0001 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 0002 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。 0。
7、003 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。
8、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。 0004 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，。
9、 尤其在极端载荷状况下， 例如共振与颤振。 0005 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。 0006 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、 。
10、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 说 明 书 CN 103883813 A 3 2/4 页 4 要的意义！ 发明内容 0007 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。
11、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。 0008 为了达成上述目的， 本发明的解决方案是 ： 0009 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。 0010 所述电变流体嵌于所述加油软管的位置为该加油。
12、软管振动模式下的对应波腹点 的位置。 0011 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。 0012 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。 0013 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。 0014 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。 0015 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。 0016 所述电极层采用铝膜材料制成。 0017 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。
13、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 0018 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 ； 0019 图 2 是本图 1。
14、 中 A-A 的剖视图 ； 0020 图 3 是本发明加油软管系统的工作原理简图。 0021 标号说明 0022 加油软管 1 电变流体 2 0023 电极层 3 防静电层 4 0024 封严层 5 传感单元 6 0025 控制单元 7 电流放大单元 8 说 明 书 CN 103883813 A 4 3/4 页 5 具体实施方式 0026 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。 0027 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。
15、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。 0028 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。
16、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。 0029 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。
17、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。 0030 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。
18、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。 0031 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。。
19、较佳地防静电层 4 采用包围方式设在电极层 3 的外侧。 0032 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。 0033 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 说 明 书 CN 103883813 A 5 4/4 页 6 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。 说 明 书 CN 103883813 A 6 1/3 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103883813 A 7 2/3 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 103883813 A 8 3/3 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103883813 A 9 。