中等尺度變形內(nèi)變體飛機結(jié)構(gòu)設計與變形技術研究.pdf

1、變體飛機是一種在飛行中可以自主改變外形來適應變化的任務環(huán)境的多角色飛機。變體技術的發(fā)展可以提高飛機多任務適應能力、改善飛機整個飛行包線的綜合使用性能并降低飛機成本，符合未來先進飛機在軍民兩方面的設計需求。近年來，基于智能材料和結(jié)構(gòu)的變體飛機結(jié)構(gòu)設計和變形技術研究成為了熱門課題。
　　本文對中等尺度變形的變體飛機結(jié)構(gòu)設計和變形技術進行了應用基礎研究，圍繞可變形機翼和可變形進氣道，開展了基于可變形蜂窩的復合式柔性蒙皮設計與性能分析、分

2、布式伸縮充壓管驅(qū)動器設計與性能分析、基于可變形蜂窩的柔順變彎度機翼設計和變形演示以及基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的可變形鼓包進氣道型面變形分析研究，主要研究內(nèi)容與成果如下：
　?。?）針對目前變體飛機可變形結(jié)構(gòu)設計面臨的結(jié)構(gòu)面內(nèi)變形和面外承載矛盾，在對常規(guī)六角蜂窩變形機理分析基礎上，設計并制作了一種十字形柔性蜂窩結(jié)構(gòu)。該柔性蜂窩重量輕、具有良好的面內(nèi)變形能力，在垂直平面方向具有一定的承載能力。用代表體元法分析了該十字形蜂窩結(jié)構(gòu)的面內(nèi)變形機理、力

3、學性能和參數(shù)影響規(guī)律，將其等效為三維正交各向異性材料，并推導了主要等效模量的理論表達式。對十字形蜂窩試件進行了力學性能實驗，理論和仿真分析結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。提出了基于十字形柔性蜂窩的復合式蒙皮及其設計方法，根據(jù)機翼變彎度方案對蒙皮面內(nèi)變形和和垂直平面方向的性能要求，對十字形蜂窩的網(wǎng)格幾何尺寸、支撐柔性面板厚度等參數(shù)進行了設計，給出了滿足蒙皮使用需求的參數(shù)適合范圍，為該復合式柔性蒙皮的應用提供了理論基礎。
　?。?）為了滿足變

4、體飛機分布式驅(qū)動要求，將天線結(jié)構(gòu)的運動方式引入液壓驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設計中，發(fā)展了一種新穎的柔性伸縮充壓管驅(qū)動元件，由進油閥芯、內(nèi)部儲油膠管、鋁合金內(nèi)護管、外護管以及鎖緊螺母組成，具有重量輕、通過改變管內(nèi)壓力可以輸出較大驅(qū)動力和驅(qū)動位移，并且沿軸向可以提供一定抗壓剛度等特點。分析了該充壓管驅(qū)動元件的工作原理，建立了包括液柱、柔性膠層和剛性外壁的柔性伸縮充壓管結(jié)構(gòu)模型，理論推導了充壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)、管內(nèi)充壓大小與軸向輸出載荷以及等效抗壓剛度之間的關系

5、，給出了等效抗壓剛度的工程簡化表達式。加工出充壓管驅(qū)動元件，并設計了包括液壓源、支撐和測量于一體的實驗裝置系統(tǒng)，對其驅(qū)動能力和力學性能開展了實驗研究，為該伸縮充壓管驅(qū)動器在變體飛機上的應用提供了一定的技術參考。
　?。?）提出了基于可變形蜂窩的柔順變彎度機翼概念設計，利用全高度十字形柔性蜂窩作為可變形結(jié)構(gòu)，并在可變形結(jié)構(gòu)中陣列布置柔性伸縮充壓管驅(qū)動器。根據(jù)柔性后緣的變形和承載要求，對各組成結(jié)構(gòu)包括可變形蜂窩、伸縮充壓管、支撐腹板、

6、承力芯板進行了具體參數(shù)設計和分析。建立了柔性后緣結(jié)構(gòu)的有限元模型，對可變形蜂窩和充壓管驅(qū)動元件進行了等效簡化，在保證分析準確性的同時大幅度降低了模型自由度，對柔順后緣模型的變形和承載特性進行了分析，結(jié)果表明該柔性后緣變形和承載能力好、可以有效地抵抗擾動載荷，滿足預期飛行工況下的使用要求。制作出柔順后緣機翼試件，對其在無來流狀態(tài)下的驅(qū)動變形進行了演示實驗，實驗過程平穩(wěn)、數(shù)據(jù)符合預期，驗證了柔性后緣設計和分析方法的有效性，為變彎度方案的工程

7、實現(xiàn)提供了一條新的設計途徑。
　?。?）為了改善不可調(diào)鼓包進氣道在非設計點處的進發(fā)匹配特性，提出在其喉道位置采用雙穩(wěn)態(tài)可變形鼓包型面代替原不可調(diào)鼓包型面的設計方案，利用變形型面的兩種穩(wěn)定構(gòu)型調(diào)節(jié)進氣道進氣量。通過數(shù)值仿真研究了變形型面的雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換機理并給出雙穩(wěn)態(tài)存在需要滿足的參數(shù)和邊界條件。初步提出兩種雙穩(wěn)態(tài)型面驅(qū)動方案，通過剛性框架在型面上施加線布載荷以及利用剛性角片在型面邊緣施加彎矩，對這兩種加載方案下型面的變形過程進行了分析

8、，結(jié)果顯示通過調(diào)節(jié)加載位置和形狀參數(shù)拱高厚度比值可以改變型面的變形過程類型。在施加線布載荷下，分析了加載位置和形狀參數(shù)對結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換需要的臨界驅(qū)動載荷、輸入能量以及結(jié)構(gòu)應變水平的影響，并給出雙穩(wěn)態(tài)型面適宜的加載區(qū)間和材料選擇，為可變形鼓包進氣道的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動設計提供了參考。
　　本文工作得到國家自然科學基金（項目編號：11172128、61161120323）、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目（項目編號：CXZZ12-01