一種用於變體機翼的蒙皮的製作方法

2024-02-06 04:08:15

專利名稱：一種用於變體機翼的蒙皮的製作方法
技術領域：
本發明涉及飛行器的蒙皮，尤其涉及一種用於變體機翼的蒙皮，屬於飛行器設計 技術領域。
背景技術：
變體飛行器是近年來提出來的一種新型的飛行器，而變體機翼是變體飛行器中的 重要研究內容，它是一種新型的飛行器機翼結構，是指飛行器機翼在翼展、面積、弦長等幾 何結構尺寸方面發生顯著變化，使得飛行環境在大範圍內(比如巡航、極高速飛行、快速俯 衝、大攻角機動等)變化時，可以實現機翼外形和表面結構的重組，以適應監測到的飛行條 件變化，獲得最佳的氣動和氣彈特性。從上世紀80年代開始，美、英、德等國家相繼開展了 智能機翼、自適應機翼和變體機翼的研究，目前相關領域的一些關鍵技術已經在小型飛機 中開展了技術驗證的飛行試驗，是未來先進飛行器的重要研究方向之在機翼的連續變體過程中，機翼的蒙皮，一方面要具有足夠的剛度和強度承受飛 行器飛行過程中的氣動載荷，另一方面在必須在機翼舷長方向具有很高的彈性，能夠實現 大變形，滿足機翼前後緣上下偏轉時產生的拉伸或壓縮變形要求；因此研究既能承受載荷 又能實現大變形的蒙皮結構是變體結構研究中的關鍵技術之一；針對變體機翼蒙皮結構的 特點，很多學者對此提出了多種解決方案，魚鱗疊片蒙皮結構是一種解決方案，通過採用魚 鱗樣式的蒙皮結構實現蒙皮的大變形和承載，但無法保證蒙皮表面的連續性和光滑性，導 致機翼的氣動特性變差；哈爾濱工業大學研製的形狀記憶聚合物(冷勁松，蘭鑫等，形狀記 憶聚合物複合材料及其在空間可展開結構中的應用，宇航學報，2010年第4期)能夠實現超 大變形量，但承載能力有限；王曉宏等人(王曉宏，形狀記憶合金驅動主動變形結構的設計 與製作，哈爾濱工業大學碩士學位論文，2006年)製作了三角形結構的波紋板，並將形狀記 憶合金埋置其中實現了驅動彈性機翼蒙皮的變形；吳存利、段世慧等人(吳存利，段世慧， 孫俠生.複合材料波紋板剛度工程計算方法及其在結構分析中的應用[J]航空學報，2008， (06))對正弦型結構的波紋板彈性材料進行了研究，分析了複合材料波紋板剛度工程計算 方法及其在結構分析中的應用；TomohiroYokozeki和Shin-ichi Takeda等人(Mechanical Properties of Corrugated Composites forCandidate Materials of Flexible Wing Structures, www. elsevier. com/locate/compositesa:Part A 37 (2006) 1578-1586)提出 以半圓弧加豎板形式的波紋板，通過理論預測和試驗分析研究了以碳纖維為增強材料所制 作的蒙皮的拉伸和彎曲力學性能，並且提出了這種結構彈性材料性能的增強方法。

發明內容
本發明的目的在於解決變體機翼蒙皮弦向要求大變形而展向需要承載能力強之 間存在的矛盾，提供一種用於變體機翼的蒙皮，該蒙皮在機翼弦向剛度很小，能夠實現大變 形；而在機翼展向則具有極高的剛度，能夠承受較大的彎曲載荷。本發明採用以下技術方案實現上述目的
一種用於變體機翼的蒙皮，由纖維增強複合材料製成，其橫截面呈等腰梯形波紋 結構。採用上述等腰梯形波紋結構的變體機翼蒙皮，在沿著梯形波紋方向的力作用下， 受到拉伸與壓縮，該方向剛度很小，會產生很大變形；而在垂直於梯形波紋的方向，具有高 於傳統板結構的剛度，能夠承受較大的彎曲載荷。從而可以有效解決變體機翼蒙皮弦向要 求大變形而展向需要承載能力強之間存在的矛盾。為了進一步保證機翼表面光滑程度以及氣密性要求，可以在其外表面的等腰梯形 波紋的波谷內填充彈性材料(如泡沫橡膠、矽膠等)，實現在不明顯增加弦向剛度的條件 下，保證機翼表面光滑的目的。進一步地，可以在上述上述等腰梯形波紋結構的變體機翼蒙皮內，嵌入驅動器和 傳感器，從而實現對蒙皮結構監測和控制，從而獲得最佳的氣動性能。本發明通過採用等腰梯形波紋結構，解決了變體機翼蒙皮弦向要求大變形而展向 需要承載能力強之間存在的矛盾，並通過蒙皮內嵌的傳感器和驅動器，實現對蒙皮結構的 健康監測和形狀控制，獲得最佳的氣動性能，還通過在蒙皮外表面填充彈性材料，保證了機 翼表面的光滑。


圖1為本發明的等腰梯形波紋結構的其中一個波紋的橫截面示意圖，其中圖a為 單個波紋的橫截面示意圖，圖b為單個波紋結構的1/4截面構型；圖2為具體實施方式
中所述蒙皮的橫截面示意圖，其中1為正交編織玻璃纖維復 合材料多層層和板，2為填充的矽膠。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明本發明的用於變體機翼的蒙皮，由纖維增強複合材料製成，其橫截面呈等腰梯形 波紋結構，在其外表面的等腰梯形波紋的波谷內填充有彈性材料，其中一個波紋的橫截面 如附圖Ia所示。在實際的設計中，往往需要根據設計指標對蒙皮的結構進行優化，本發明針對等 腰梯形波紋結構在兩個不同方向的等效彈性模量和彎曲模量進行了分析，建立了相應的 數學分析模型，從而可以依據該數學模型進行具體結構的優化。該數學模型的構建原理如 下針對等腰梯形波紋構型的蒙皮結構，假設波紋方向，即能產生大變形的方向為橫 向(T)，設定為坐標系的X軸，垂直于波紋方向能夠承受較大彎曲載荷的方向為縱向(L)，設 定為Y軸。如圖1所示，其中圖a為單個波紋結構的橫截面視圖，圖b為單個波紋結構的 1/4截面構型；假設單個波紋的寬度為w。，高度為h。，梯形波紋板的厚度為t，為了便於公式的計 算，定義橫截面各參數I1, I2, I3, I4, hi; h2分別如圖Ia所示。假設構成該蒙皮的纖維增強 複合材料的面內拉伸剛度為A11,其抗彎剛度為D11,計算梯形波紋結構構型的體積分，便可 得到其縱向等效彈性模量Eu為
權利要求
1.一種用於變體機翼的蒙皮，由纖維增強複合材料製成，其特徵在於，其橫截面呈等腰 梯形波紋結構。
2.如權利要求1所述用於變體機翼的蒙皮，其特徵在於，所述等腰梯形波紋的具體結 構參數根據以下數學模型進行優化得到
3.如權利要求2所述用於變體機翼的蒙皮，其特徵在於，所述梯形波紋的具體結構參 數採用遺傳算法或神經網絡優化方法進行優化得到。
4.4、如權利要求1所述用於變體機翼的蒙皮，其特徵在於，所述纖維增強複合材料為 正交編織玻璃纖維複合材料多層層和板。
5.如權利要求1至4任一項所述用於變體機翼的蒙皮，其特徵在於，其外表面的等腰梯 形波紋的波谷內填充有彈性材料。
6.如權利要求1至4任一項所述用於變體機翼的蒙皮，其特徵在於，該蒙皮內部嵌入有 用於對蒙皮結構大變形進行控制的形狀記憶合金驅動器。
7.如權利要求1至4任一項所述用於變體機翼的蒙皮，其特徵在於，該蒙皮內部嵌入有 用於對蒙皮結構局部的微小變形及振動進行控制的壓電纖維驅動器。
8.如權利要求1至4任一項所述用於變體機翼的蒙皮，其特徵在於，該蒙皮內部嵌入有 用於蒙皮結構監測的傳感器，所述傳感器包括壓電傳感器、壓電纖維傳感器、應變傳感器中 的一種或多種。
全文摘要
本發明公開了一種用於變體機翼的蒙皮，屬於變體飛行器設計技術領域。本發明的用於變體機翼的蒙皮，由纖維增強複合材料製成，其橫截面呈等腰梯形波紋結構。本發明還針對等腰梯形波紋的蒙皮結構弦向和展向的等效彈性模量及彎曲模量進行了分析，提出了相應的數學模型，根據該數學模型可進一步對蒙皮結構進行優化。本發明滿足了變體飛行器變體機翼蒙皮既要求有大變形又能夠承受氣動載荷的要求，並可根據蒙皮結構兩個不同方向的等效彈性模量和彎曲模量的數學分析模型，實現蒙皮結構在不同載荷工況下的設計優化，同時還具有結構健康監測和自適應變形能力，可以通過對蒙皮的形狀和振動控制實現最佳的氣動特性。
文檔編號B64C3/26GK102060101SQ20101059740
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月21日 優先權日2010年12月21日
發明者徐志偉, 戚建龍, 段麗瑋, 陳杰 申請人:南京航空航天大學