用于自适应变形结构的柔性蒙皮设计与分析

发布时间：2020-05-06 08:47

【摘要】：基于智能材料和结构的变体飞机是未来先进飞行器的主要发展方向之一,而柔性蒙皮的设计又是实现变体飞机的一大关键技术。本文主要针对三元鼓包进气道可调以及机翼变体方案开展了相应的柔性蒙皮设计与研究工作,开发满足变形和承载等需求的柔性蒙皮,为变体飞机提供光滑连续的变形,并能够承受和传递气动载荷。针对柔性蒙皮的变形和承载需求,本文设计了一种由半圆弧周期性排列而成的圆弹簧纤维,并提出了一种基于圆弹簧纤维的复合材料。采用代表体元法对其力学性能进行研究,推导了单层板各项等效弹性系数。在圆弹簧纤维复合材料单层板的基础上,进一步研究了四层对称层合板的面内拉伸行为和面外弯曲特性,给出其拉伸变形等效模量以及弯曲变形挠度。通过MATLAB软件和ABAQUS有限元软件建立圆弹簧纤维复合材料的有限元模型并进行力学性能仿真,仿真结果展示了圆弹簧纤维复合材料的拉伸弹性系数的变化规律。针对鼓包进气道变形及承载需求,研究了一种基于圆弹簧纤维复合材料的柔性蒙皮鼓包。将柔性蒙皮附着在鼓包进气道上,提出了一种基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道方案,通过内部充压的方式实现鼓包的变形。建立基于圆弹簧纤维复合材料的柔性蒙皮鼓包模型,初步分析柔性蒙皮鼓包的变形能力以及内部充压需求,并引入外载荷工况,进一步明确内部载荷大小。针对可变形蜂窝柔性蒙皮的变形需求,开展了零泊松比混合十字形蜂窝的力学性能研究。对十字形蜂窝结构形式进行优化设计,分析了一种零泊松比混合十字形蜂窝结构力学性能,并结合有限元仿真方法和实验验证了理论模型的正确性。
【图文】：

变体,飞机,概念

中改变气动外形，如机翼面积、展弦比和后掠角等，使飞机在不同飞行状态下性能保持最佳的飞行器。与常规固定布局飞机相比，变体飞机的飞行包线更宽，作战效能更高，它能够根据飞行环境、飞行剖面以及作战任务等需要，自主地改变气动构型，优化飞行性能。图1.1展示了美国航空航天局（NASA）设想的未来智能变体飞机概念，它集中反映了智能变体技术与仿生思想的完美结合。变体飞机很大程度上提高了飞行器的综合性能，成为未来飞行器发展的重要方向之一[1-3]。图 1. 1 变体飞机概念变体飞机概念的出现，意味着对飞行器的结构提出了更多的要求，如轻质、高可靠性、高维护性、高生存能力。传统的机械液压系统并不能很好的满足变体飞机的要求，使用智能材料结构是明智的选择，也是大势所趋的结果。智能材料结构是指将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中, 使制成的构件具有人们期望的智能功能的一种新型结构材料概念。智能材料结构能量密度高、刚度可变、易于控制、能够承受大应变，这些特性为变体飞机的设计提供了新的技术途径。迄今为止，，智能材料结构已经广泛地应用在各个领域，尤其是航空领域，如智能蒙皮、自适应机翼、振动噪声控制和结构健康监测等

几何形状,复合材料结构,变刚度

[20-22]；（4）在层板上布置离散筋条，提供加强作用，如图1.2所示。另外，功能梯度材料作为一种新型非均匀复合材料，常由耐高温且性能优良的工程陶瓷和强度及韧性较好的金属两相材料组成，也可以看作变刚度复合材料[23]。以上方法中，改变纤维体积分数的方式比较单一，能在一定程度上改变材料性能但可设计性不强；局部加层或加筋导致材料形状发生突变，引起应力集中等现象；功能梯度材料作为一种新型材料，设计性强，性能好，但是成本高，不适合大范围应用。采用曲线纤维进行铺设使得材料刚度在坐标系内连续变化，而不是依赖附加的加强筋，或是层板不同位置厚度的突然改变，不会引起层合板几何形状的变化，并且它的纤维形式增加了铺设角度变化的可能性
【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】：V214

【参考文献】