覆冰情况对压电振动除冰效果的影响研究

张博涵; 袁浪; 王敬鑫; 朱春玲

doi:10.16356/j.2097-6771.2026.02.014

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覆冰情况对压电振动除冰效果的影响研究

更新时间：2026-04-30

- 覆冰情况对压电振动除冰效果的影响研究
- Impact of Ice Coverage Situation on Effectiveness of Piezoelectric De‑icing
- 南京航空航天大学学报 2026年58卷第2期页码：380-389
- 作者机构：
  
  南京航空航天大学航空学院，南京 210016
- 作者简介：
  
  朱春玲，女，教授，博士生导师，E-mail：clzhu@nuaa.edu.cn。
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2024YFB4205600)
- DOI：10.16356/j.2097-6771.2026.02.014
  中图分类号： V244.15
- 收稿：2025-07-28，
  
  修回：2025-11-20，
  
  纸质出版：2026-04-28
- 稿件说明：
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张博涵，袁浪，王敬鑫，等. 覆冰情况对压电振动除冰效果的影响研究［J］. 南京航空航天大学学报（自然科学版），2026，58（2）：380⁃389.

ZHANG Bohan， YUAN Lang， WANG Jingxin， et al. Impact of ice coverage situation on effectiveness of piezoelectric de-icing［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics（Natural Science Edition），2026， 58（2）：380⁃389.
张博涵，袁浪，王敬鑫，等. 覆冰情况对压电振动除冰效果的影响研究［J］. 南京航空航天大学学报（自然科学版），2026，58（2）：380⁃389. DOI： 10.16356/j.2097-6771.2026.02.014.

ZHANG Bohan， YUAN Lang， WANG Jingxin， et al. Impact of ice coverage situation on effectiveness of piezoelectric de-icing［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics（Natural Science Edition），2026， 58（2）：380⁃389. DOI： 10.16356/j.2097-6771.2026.02.014.

摘要

飞机飞行过程中可能遭遇不同的覆冰情况，为研究不同覆冰情况对压电除冰系统除冰效果的影响，采用有限元仿真与冷环境除冰实验相结合的方式，在超声频段内开展除冰频率、振源压电器件的材料选型，以及覆冰情况（结冰区域、分割形式、厚度）等参数变化对结构表面压电除冰效果的影响研究。结果表明：在本文压电陶瓷布局方式下，20.4 kHz激励频率具有最佳除冰效果，在90 s内能够完全除去结构表面覆冰；不同压电材料的除冰效果随振源压电材料的压电系数的增大而增强；改变不同的覆冰情况可以得出增加冰分割块数、改变覆冰面积（沿长度方向增大或沿宽度方向减小）以及减小结冰厚度都会使覆冰界面剪应力值增大，除冰频率也会随之偏移。

Abstract

During the flight of an aircraft， it may encounter various ice coverage situations. To study the impact of different ice coverage situations on the ice removal effect of the piezoelectric de-icing system， a combination of finite element simulation and cold environment ice removal experiments is adopted. In the ultrasonic frequency range， the research is conducted on the ice removal frequency， the material selection of the vibration source piezoelectric device， as well as the influence of parameter changes such as ice coverage situations （icing area， segmentation form， thickness） on the piezoelectric ice removal effect on the structural surface. The results show that under the layout method of piezoelectric ceramics in this paper， the 20.4 kHz excitation frequency has the best ice removal effect， and it can completely remove the ice on the structural surface within 90 s. In addition， the ice removal effect of different piezoelectric materials increases with the increase of the piezoelectric coefficient of the vibration source piezoelectric material. Changing different ice coverage situations can lead to an increase in the number of ice segments， a change in the icing area （increasing along the length direction or decreasing along the width direction）， and a reduction in the ice thickness， all of which will increase the shear stress value at the ice interface and shift the ice removal frequency accordingly.

关键词

Keywords

references

CAO Yihua ， WU Zhenlong ， SU Yuan ， et al . Aircraft flight characteristics in icing conditions ［J］. Progress in Aerospace Sciences ， 2015 ， 74 ： 62 - 80 .

POLITOVICH M K . Aircraft icing caused by large supercooled droplets ［J］. Journal of Applied Meteorology and Climatology ， 1989 ， 28 （ 9 ）： 856 - 868 .

GE Junfeng ， LI Longteng ， ZHANG Yabo ， et al . Ice type identification during dynamic icing process based on ultrasonic pulse echo technique ［J］. Sensors and Actuators A：Physical ， 2025 ， 393 ： 116817 .

ZHU Y ， PALACIOS J ， ROSE J ， et al . De-icing of multi-layer composite plates using ultrasonic guided waves ［C］// Proceedings of the 49th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures ， Structural Dynamics and Materials Conference 2008 . Schaumburg ： American Institute of Aeronautics and Astronautics ，2008： 2057 - 2070 .

JIA Yuhao ， LIANG Hua ， ZONG Haohua ， et al . Ice shape modulation with nanosecond pulsed surface dielectric barrier discharge plasma actuator towards flight safety ［J］. Aerospace Science and Technology ， 2022 ， 120 ： 107233 .

REKUVIENE R ， SAEIDIHARZAND S ， MAZEIKA L ， et al . A review on passive and active anti-icing and de-icing technologies ［J］. Applied Thermal Engineering ， 2024 ， 250 ： 123474 .

VENNA S V ， LIN Y J ， BOTURA G . Piezoelectric transducer actuated leading edge de-icing with simultaneous shear and impulse forces ［J］. Journal of Aircraft ， 2007 ， 44 （ 2 ）： 509 - 515 .

GAHEEN O A ， MARZOUK S A W ， ELSAYED A M ， et al . Experimental comparison of ultrasonic guide wave and thermal energy in deicing method ［J］. Thermal Science and Engineering Progress ， 2024 ， 54 ： 102876 .

张海波，罗江海，徐志强，等 . 基于压电陶瓷及其复合材料的飞机除冰技术研究现状及发展趋势［J］. 航空制造技术， 2025 ， 68 （ 3 ）： 32 - 40，66 .

ZHANG Haibo ， LUO Jianghai ， XU Zhiqiang ， et al . Research status and development trends of aircraft deicing technology based on piezoelectric ceramics and their composite materials ［J］. Aeronautical Manufacturing Technology ， 2025 ， 68 （ 3 ）： 32 - 40，66 .

XU Peiyi ， ZHANG Donglai ， GAO Wei ， et al . A non-thermal de-icing technique using ultrasonic guided waves ［J］. Journal of Physics： Conference Series ， 2023 ， 2528 （ 1 ）： 1742 - 6596 .

姚赛金 . 基于压电驱动器的机翼除冰方法研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2010 .

YAO Saijin . Research on wing deicing method based on piezoelectric actuators ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2010 .

PALACIOS J ， SMITH E ， ROSE J . Investigation of an ultrasonic ice protection system for helicopter rotor blades ［C］// Proceedings of the 64th Annual Forum Proceedings . Montreal， Canada ： AHS International ， 2008 ： 609 - 618 .

XU Peiyi ， ZHANG Donglai ， GAO Wei ， et al . Development of de-icing method with combined excitation of ultrasonic guided waves and different types of low-frequency vibrations ［J］. Applied Acoustics ， 2024 ， 221 ： 110034 .

WANG Yibing ， XU Yuanming ， SU Fei . Damage accumulation model of ice detach behavior in ultrasonic de-icing technology ［J］. Renewable Energy ， 2020 ， 153 ： 1396 ‑ 1405 .

谭海辉 . 风力机叶片超声波除冰理论与方法［D］. 长沙：长沙理工大学， 2011 .

TAN Haihui . Theoretical and methodology of ultrasonic ice removal for wind turbine blades ［D］. Changsha ： Changsha University of Science & Technology ， 2011 .

石忠华 . 板壳结构超声波除冰影响因素及功效分析［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2022 .

SHI Zhonghua . Analysis of influencing factors and effectiveness of ultrasonic ice removal in plate and shell structures ［D］. Harbin ： Harbin Engineering University ， 2022 .

苗波，朱春玲，朱程香，等 . 翼型曲面的压电振动除冰方法研究［J］. 实验流体力学， 2016 ， 30 （ 2 ）： 46 - 53 .

MIAO Bo ， ZHU Chunling ， ZHU Chengxiang ， et al . Research on the ice-removing method based on piezoelectric vibration of airfoil surface curves ［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics ， 2016 ， 30 （ 2 ）： 46 - 53 .

苗波，朱春玲，朱程香 . 平板压电除冰系统中压电元件排布规律研究［J］. 空气动力学学报， 2016 ， 34 （ 6 ）： 732 - 737 .

MIAO Bo ， ZHU Chunling ， ZHU Chengxiang . Research on the arrangement pattern of piezoelectric elements in the flat plate piezoelectric deicing system ［J］. Acta Aerodynamica Sinica ， 2016 ， 34 （ 6 ）： 732 - 737 .

苗波 . 翼型压电振动除冰理论和实验研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2016 .

MIAO Bo . Theoretical and experimental research on wing-type piezoelectric vibration deicing technology ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2016 .

苗波 . 机翼前缘超声振动除冰设计方法研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2024 .

MIAO Bo . Research on the design method of ultrasonic vibration ice removal for airfoil leading edges ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2024 .

董笑宇 . 基于超声微振动的风力机叶片防除冰仿真与试验研究［D］. 哈尔滨：东北农业大学， 2021 .

DONG Xiaoyu . Simulation and experimental research on anti-icing of wind turbine blades based on ultrasonic micro-vibration ［D］. Harbin ： Northeast Agricultural University ， 2021 .

李岩，董笑宇，郭文峰，等 . 面向风力机叶片的平板超声微振动除冰［J］. 排灌机械工程学报， 2022 ， 40 （ 2 ）： 204 - 210 .

LI Yan ， DONG Xiaoyu ， GUO Wenfeng ， et al . Plasma ultrasonic micro-vibration de-icing for wind turbine blades ［J］. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering ， 2022 ， 40 （ 2 ）： 204 - 210 .

JOMAA M ， LEVY P E ， VASIC D ， et al . Low-energy avionic piezoelectric deicing system ［J］. Smart Materials and Structures ， 2024 ， 33 （ 5 ）： 055043 .

刘重洋 . 飞机电热防/除冰系统数值计算及实验研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2020 .

LIU Chongyang . Numerical calculation and experimental research on aircraft electric heating anti/deicing system ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2020 .

包明鑫，苗波，朱春玲 . 压电陶瓷布局对除冰效果的影响研究［J］. 实验流体力学， 2021 ， 35 （ 4 ）： 73 - 82 .

BAO Mingxin ， MIAO Bo ， ZHU Chunling . Research on the impact of piezoelectric ceramic layout on deicing effect ［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics ， 2021 ， 35 （ 4 ）： 73 - 82 .

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