智能變形飛行器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)制與若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、智能變形飛行器通過(guò)在飛行過(guò)程中自主改變氣動(dòng)外形來(lái)提高飛行效率，增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性，優(yōu)化不同飛行環(huán)境和任務(wù)條件下的適應(yīng)性，被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)未來(lái)航空技術(shù)新突破的革命性概念和技術(shù)。本文圍繞智能變形飛行器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)制與關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展了飛行器智能變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理論與方法、形狀記憶合金(SMA)智能材料多物理場(chǎng)耦合特性與表征、基于SMA智能材料的新型高性能致動(dòng)器設(shè)計(jì)原理與實(shí)驗(yàn)、具有柔順變形能力的超彈性復(fù)合蒙皮結(jié)構(gòu)原理與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等一系列研究工作。主要研

2、究?jī)?nèi)容和成果如下：
　　 1.嘗試提出“智能變形飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”基本研究框架，并建立具有時(shí)變邊界條件的智能伸縮翼懸臂梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)無(wú)量綱化處理和Galerkin法給出了該時(shí)變非線性四階雙曲型方程的近似解。設(shè)計(jì)了基于SMA全向偏轉(zhuǎn)致動(dòng)器和雙電機(jī)差動(dòng)斜面全向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的頭部智能變形結(jié)構(gòu)，分別建立了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和非線性控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行了頭部智能變形結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真和原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試了頭部偏轉(zhuǎn)變形的氣動(dòng)特性。提出

3、了采用單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)的可變后掠翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)兩側(cè)搖桿的同步性問(wèn)題，建立了單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一模型和同步性能優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)引入搖桿偏差小量假設(shè)和極限位置一致性假設(shè)，并結(jié)合大量系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)實(shí)驗(yàn)，給出了單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)同步性能優(yōu)化解的近似經(jīng)驗(yàn)公式和設(shè)計(jì)曲線圖。該工作為智能變形飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析提供了理論依據(jù)和相關(guān)技術(shù)參考。
　　 2.在深入研究SMA智能材料準(zhǔn)靜態(tài)熱/力耦合特性的基礎(chǔ)上，探究了S

4、MA智能材料的約束態(tài)熱/力耦合特性、不完全相變熱/力耦合特性和中低應(yīng)變率動(dòng)態(tài)加載熱/力耦合特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SMA首次加載約束態(tài)與持續(xù)加載約束態(tài)存在較大特性差異，即馬氏體去孿晶化塑性變形和應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變塑性變形對(duì)馬氏體逆相變起止溫度點(diǎn)的影響差別較大。實(shí)驗(yàn)測(cè)得SMA不完全馬氏體逆相變過(guò)程存在“溫度記憶”效應(yīng)，且重新開(kāi)始相變的溫度與上次熱循環(huán)中斷的溫度之間總是約滯后3K。實(shí)驗(yàn)測(cè)得SMA在中低應(yīng)變率拉伸條件下存在應(yīng)變率相關(guān)性，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸條件下

5、的應(yīng)力屈服平臺(tái)消失，且發(fā)現(xiàn)塑性段應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率與應(yīng)變率成明顯正相關(guān)函數(shù)關(guān)系。上述研究成果對(duì)于SMA智能材料在復(fù)雜熱/力耦合載荷條件下的特性建模和應(yīng)用開(kāi)發(fā)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，基于Tanaka系列本構(gòu)模型和多體動(dòng)力學(xué)理論，建立了SMA智能機(jī)電系統(tǒng)的一般動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)給出相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例說(shuō)明了該系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法的便捷性；并給出SMA智能機(jī)電系統(tǒng)的復(fù)合控制方法，有效的提高了SMA致動(dòng)單元的動(dòng)作速率和穩(wěn)態(tài)精度。
　　

6、3.提出了結(jié)合SMA致動(dòng)器和電機(jī)各自優(yōu)點(diǎn)的“SMA智能材料-電機(jī)混合致動(dòng)器”概念，對(duì)其中的并聯(lián)模式和混聯(lián)模式進(jìn)行了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與分析，并研制了SMA-電機(jī)混聯(lián)直線致動(dòng)器原理樣機(jī)。針對(duì)其中較粗SMA絲致動(dòng)器電阻小、電熱困難的問(wèn)題，發(fā)明了纏繞漆包線同時(shí)通電加熱的新型復(fù)合電熱驅(qū)動(dòng)技術(shù)，并建立了簡(jiǎn)化的熱力學(xué)模型，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，該理論模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好，可為采用新型復(fù)合電熱驅(qū)動(dòng)技術(shù)的SMA絲致動(dòng)器控制模型的建立提供參考。

7、　　 4.針對(duì)智能變形飛行器對(duì)具有柔順大變形性能的蒙皮結(jié)構(gòu)的迫切需求，將柔性機(jī)構(gòu)思想引入多孔固體設(shè)計(jì)中，提出了“超彈性蜂窩芯復(fù)合蒙皮結(jié)構(gòu)”原理及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。基于線彈性理論，給出了對(duì)稱六邊形超彈性蜂窩芯結(jié)構(gòu)的等效模量公式，通過(guò)尺寸參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化，設(shè)計(jì)了具有單軸柔順大變形特性的類蛇形環(huán)構(gòu)型超彈性蜂窩芯結(jié)構(gòu)和具有負(fù)泊松比特性的內(nèi)凹六邊形構(gòu)型超彈性蜂窩芯結(jié)構(gòu)。給出了類蛇形環(huán)構(gòu)型超彈性蜂窩芯結(jié)構(gòu)和負(fù)泊松比超彈性蜂窩芯結(jié)構(gòu)的等效模量公