自适应鼓包进气道结构的柔性蒙皮技术研究

发布时间：2020-08-07 20:46

【摘要】：自适应鼓包进气道可以根据飞行器飞行环境的不同对进气量进行调节,以保证进气道在宽速域内具有良好的进气性能。从减重、减小体积占用等角度出发,本文在鼓包进气道的基础上提出了一种自适应鼓包进气道方案,通过复合柔性蒙皮形成自适应鼓包来对进气气流进行调节。根据自适应鼓包的变形要求,提出了一种形状记忆合金纤维增强的复合柔性蒙皮,通过参数设计使其能够满足自适应鼓包进气道方案的使用需求。主要研究内容与成果如下:(1)针对超音速进气道高低速进气需求的不同,提出了一种自适应鼓包进气道方案。阐述了该方案的设计思路与实施过程。根据某型号战机进气道的设计要求,确定了基于复合柔性蒙皮的自适应鼓包的形状参数、型面变化范围以及充压方案。采用仿真的方法对自适应鼓包材料的应变和模量水平提出了要求。(2)针对自适应鼓包应变水平的要求,研究了一种形状记忆合金增强纤维。建立了记忆合金的本构关系模型,通过ABAQUS软件的UMAT子程序功能将合金材料模型有限元化。通过仿真验证了记忆合金模型的超弹性和形状记忆效应,分析了其变形能力。(3)针对自适应鼓包变形与承载的要求,设计了一种形状记忆合金纤维增强的复合柔性蒙皮。建立了复合柔性蒙皮的力学模型,分析了其力学性能的影响因素。根据自适应鼓包应变和模量水平的要求,对复合柔性蒙皮性能参数进行了设计。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V228.7;TB33
【图文】：

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南京航空航天大学硕士学位论文美国的 F-15 战机采用了一种整个进气口上罩可以上下调节以控制进气量的二元进气道方案，其上唇口转动范围达到了-11°~4°，实现了进气喉道面积的大范围调节，能够提供非常大的推重比，使战机具有很好的机动性能。为了追求高飞行速度和高机动性能，F-15 战机的进气道内部采用了三级可调斜板的设计，如图 1.1 所示。斜板能够根据不同的飞行迎角和飞行速度上下转动，大大减小了空气阻力。缺点是该方案对飞行器增加了巨大的重量以及造成了结构的复杂性，日常维护成本较高，并且上罩的转动会改变飞行器的气动外形，对飞行器的飞行性能产生较大的影响，因此上罩的调节规律需要综合考虑其对飞行器整体性能的影响。

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自适应鼓包进气道结构的柔性蒙皮技术研究板闭合板垫片安装结构酚醛块内壁变化喉道面积改变唇口形状变化图 1.5 SAMPSON 项目使用的可变形唇缘方案的学者提出了一种新概念轴对称进气道方案[28]，其 SMA 的驱动下获得 25%的面积改变量，可以满足性能还需要通过进一步的风洞与飞行试验来测试。

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通过加温它又可以恢复原来的形状，这种神奇的现象吸引了大量科学家的关注[46]。1949 年苏联的 kurdjumov 等在 Cu-Al-Ni 合金中观察到了热弹性马氏体相变过程。1953 年，Read等人在对 In-Ti 合金的性能研究中发现了其形状记忆效应。1969 年，美国军方首先将 Ni-Ti 合金应用到某喷气式战机的液压系统中。美国的 Raychem 公司根据合金的记忆效应制作了管接头，通过温度的降低该合金接头发生收缩，其组织结构变为致密的马氏体相，作为液压管道的连接头，能够很好的防止液体泄漏。Ni-Ti 合金具有良好的超弹性（应变能够达到 8%左右）与机械性能，目前在工程中已经具有了广泛的应用。上个世纪 80 年代以来，SMA 材料进入了实际应用阶段，应用范围囊括了电子、机械、航空、能源、医疗等几乎所有的工业领域。作为感温和驱动材料，SMA 可以同时起到传感和驱动的功能，从而实现了结构的小型化与轻质化，十分适合作为航空材料与元件。SMA 的超弹性效应表现为，其在高温奥氏体态下，保持温度不变，受到外力作用时，首先产生弹性应变；当外力超过某个值的时候，记忆合金发生马氏体相变；继续增加外力，记忆合金会产生马氏体弹性应变；撤去外力之后，其会自动恢复原形状。超弹性效应使得记忆合金能够产生较大的应变，并且其应变过程中发生了马氏体和奥氏体的相互转换，保证了其在反复拉伸和收缩过程中材料内部组织的完好性，具有很强的抗疲劳能力。

【参考文献】