變體飛行器柔性蒙皮及支撐結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)的飛行器是根據(jù)特定的飛行任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其固定的機(jī)翼外形通常只針對某一特定設(shè)計(jì)點(diǎn)是最優(yōu)化的。飛行過程中飛行參數(shù)連續(xù)變化，機(jī)翼的幾何外形在多數(shù)情況下都不是最優(yōu)狀態(tài)。變體飛行器可以針對外界飛行環(huán)境來改變自身的氣動布局，從而達(dá)到最優(yōu)化的飛行目標(biāo)。可變形蒙皮材料是實(shí)現(xiàn)機(jī)翼可變形飛行器的關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)翼要實(shí)現(xiàn)其弦長、展長、后掠角和面積等的大幅度變化，蒙皮必須能夠承受足夠大的變形，且在變形過程中要有足夠的剛度來維持機(jī)翼的氣動外形，同時在變形過

2、程中蒙皮材料的剪切模量要盡可能的小以減少驅(qū)動器對能量的要求。近年來，隨著復(fù)合材料及其加工工藝的出現(xiàn)，為變體飛行器的發(fā)展提供了良好的材料基礎(chǔ)。
　　本文立足于機(jī)翼可變形飛行器的研究現(xiàn)狀，考慮到可變形機(jī)翼對蒙皮材料和支撐結(jié)構(gòu)的要求，首先設(shè)計(jì)并研制了三種具有特殊功能的可變形蒙皮或蒙皮內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：具有負(fù)泊松比效應(yīng)的變形蒙皮，基于氣動肌纖維的主動可變形蒙皮和可嵌入蒙皮的變剛度管結(jié)構(gòu)，并分別從理論和實(shí)驗(yàn)角度對其進(jìn)行了研究；接著研究了兩種可用

3、于機(jī)翼內(nèi)部支撐的蜂窩結(jié)構(gòu)：Anti-tetrachiral負(fù)泊松比蜂窩和SILICOMB零泊松比蜂窩，并從有限元，理論和實(shí)驗(yàn)角度對其力學(xué)性能做了深入探討；最后，本文還在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并研究了一種可用于面內(nèi)剪切變形的復(fù)合式機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)，并對其變形和承載的能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　考慮到變形機(jī)翼對柔性蒙皮的要求，本文設(shè)計(jì)并研制了三種具有特殊功能的可變形蒙皮。首先，制作了一種具有面內(nèi)負(fù)泊松比效應(yīng)的纖維增強(qiáng)柔性復(fù)合材料蒙皮，并對其建立了三維

4、理論模型，用于描述蒙皮結(jié)構(gòu)的彈性力學(xué)性能，理論模型的準(zhǔn)確性通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以驗(yàn)證?；诶碚撃Ｐ停治龊陀懻摿嗣善そY(jié)構(gòu)的材料常數(shù)和幾何參數(shù)與其面內(nèi)負(fù)泊松比之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示：通過合理化選擇材料基本參數(shù)，可以得到能夠滿足特殊面內(nèi)負(fù)泊松比和彈性模量要求的復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)。分析結(jié)果可以為設(shè)計(jì)具有負(fù)泊松比效應(yīng)的可變形蒙皮提供理論參考。接著，從仿生角度提出了一種基于氣動肌纖維的主動變形蒙皮。本文先設(shè)計(jì)并研制了一種小型的氣動肌纖維，通過力學(xué)拉伸實(shí)

5、驗(yàn)和輸出力實(shí)驗(yàn)對其性能進(jìn)行了表征。在此基礎(chǔ)上，利用氣動肌纖維和硅橡膠材料制成了主動變形蒙皮，并對其進(jìn)行了輸出力和承載力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。輸出力實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過調(diào)整輸入氣壓來改變變形蒙皮的收縮率，可以實(shí)現(xiàn)蒙皮主動變形的效果。此外，蒙皮承載力結(jié)果顯示，當(dāng)主動變形蒙皮處于零收縮率時，可以通過調(diào)節(jié)氣壓值來改變主動變形蒙皮的橫向剛度，從而解決蒙皮鼓包問題。最后，本文提出了一種可改變剛度的變形蒙皮概念，此種蒙皮的關(guān)鍵技術(shù)就是可嵌入柔性蒙皮的變剛度管結(jié)構(gòu)。

6、本文分別設(shè)計(jì)了兩種基于柔性基體和形狀記憶聚合物(SMP)的變剛度管結(jié)構(gòu)，兩者分別通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料本身來實(shí)現(xiàn)剛度(模量)的改變。本文分別對兩種變剛度管建立了理論模型，用于描述其變剛度性能，理論模型的準(zhǔn)確性通過實(shí)驗(yàn)方法予以驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，采用理論方法分析和討論了兩種管的材料常數(shù)和幾何參數(shù)對其變剛度性能的影響，分析結(jié)果可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)具有不同變剛度性能的變形蒙皮。
　　考慮到變形機(jī)翼對內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的要求，本文設(shè)計(jì)并研究了兩種具有不同泊

7、松比效應(yīng)的蜂窩支撐結(jié)構(gòu)。一方面，采用熔融沉積快速成型技術(shù)制作了具有負(fù)泊松比效應(yīng)的Anti-tetrachiral蜂窩樣件，推導(dǎo)了可以用于描述蜂窩結(jié)構(gòu)面內(nèi)和面外彈性常數(shù)的理論公式，并從有限元和實(shí)驗(yàn)角度對理論公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，利用有限元和理論方法對此蜂窩的面內(nèi)和面外彈性力學(xué)常數(shù)進(jìn)行了預(yù)測。預(yù)測結(jié)果顯示，通過合理的選擇幾何參數(shù)，可以使得Anti-tetrachiral蜂窩具有最小的密度和最大的橫向剪切模量(或面內(nèi)彈性模量)，

8、從而能夠最大限度的發(fā)揮其高模量低質(zhì)量的優(yōu)勢。另一方面，本文基于剪紙工藝(Kirigami)制作了一種具有零泊松比效應(yīng)的彎曲型 SILICOMB蜂窩結(jié)構(gòu)。利用全尺寸有限元方法和循環(huán)壓縮實(shí)驗(yàn)對SILICOMB蜂窩的面外剛度性能進(jìn)行了研究，同時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示彎曲型SILICOMB蜂窩具有較大的面外變形能力和良好的變形恢復(fù)功能。此外，還采用有限元方法分析了幾何參數(shù)對此蜂窩面外剛度性能的影響。
　　最后，針對NextGen公司的滑動蒙皮結(jié)

9、構(gòu)存在的缺點(diǎn)，本文綜合考慮已有的柔性表皮材料和蜂窩支撐結(jié)構(gòu)，利用ANSYS有限元軟件設(shè)計(jì)了一種適合于面內(nèi)剪切變形的復(fù)合式機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)后的余弦型蜂窩支撐結(jié)構(gòu)和氨綸織物增強(qiáng)柔性表皮制作了復(fù)合式蒙皮結(jié)構(gòu)樣件，通過有限元模擬對其面內(nèi)變形能力和面外承載能力進(jìn)行了分析和預(yù)測，同時采用剪切變形和承載力實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。承載力實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了利用有限元方法設(shè)計(jì)蜂窩支撐結(jié)構(gòu)和改進(jìn)蒙皮結(jié)構(gòu)性能的可行性，研究結(jié)果可以為設(shè)計(jì)面內(nèi)剪切變