基于气动肌肉纤维的主动变形蒙皮结构性能研究

发布时间：2017-08-09 23:17

  本文关键词：基于气动肌肉纤维的主动变形蒙皮结构性能研究

  更多相关文章： 变体飞行器 气动肌肉纤维 主动变形蒙皮 变刚度 自适应机翼

【摘要】：变体飞行器中变体的概念是指连续的形状变化,即为变形过程中没有产生离散的部分和相对于母体之间的移动。这样就意味着变体飞行器可以根据飞行任务和飞行条件的改变而进行变形,从而可以避免传统飞行器可能面临的空气动力学失效、较大噪音、震颤以及飞行效率低的问题。对于变体飞行器,蒙皮作为气动整流罩首先需要承载气动载荷,同时还能够与变体结构协同变形。通常把能够在变形过程中保持连续形状变化的结构称为主动变形结构。对于主动变形蒙皮有更为严格的定义,即为蒙皮不仅能够与与变体结构协同变形,而且蒙皮可以在外界条件激励下驱动自身的变形甚至是变体结构的变形。也就是说主动变形蒙皮是驱动器、变形结构和气动载荷承担者的集成。正是在这样的背景下,针对变体飞行器机翼对于蒙皮的要求,本文提出一种基于气动肌肉纤维(Pneumatic Muscle Fiber)的主动变形蒙皮结构。主要围绕气动肌肉纤维及其蒙皮的主动变形和变刚度性能开展了相关的实验研究、理论分析。首先开展了气动肌肉纤维的结构设计与性能测试;然后开展了气动肌肉纤维的刚度和变刚度特性研究;随后对气动肌肉纤维主动变形蒙皮的性能进行了研究;最后用气动肌肉纤维主动变形蒙皮驱动自适应机翼结构,对其变形行为进行了研究。从制作气动肌肉纤维的基本素材方面(包括气动肌肉纤维的气囊、可伸缩的编织网套和气动密封材料)对气动肌肉纤维进行了改良。对气动肌肉纤维的两端结构(包含气动通气端连接件和非气动密封端连接件)进行了小型化和可实现机械连接化的改进设计和研制。这部分工作是研制气动肌肉纤维主动变形蒙皮以及将其应用于自适应机翼结构的基础。建立了气动肌肉纤维的非线性准静态模型,也就是气动肌肉纤维在气压激励下的刚度分析方程,用以揭示其输出力与位移之间的关系。通过实验对建立的气动肌肉纤维的刚度方程进行了验证。又进一步研究了在不同气压条件下以及不同位移条件下气动肌肉纤维的变刚度特性。最后提出了一种气动肌肉纤维圆形阵列排布结构,开展了其变刚度特性的研究工作。此结构由圆形阵列排布的16个气动肌肉纤维和具有16个可滑动轨道的圆形支撑结构组成。通过分别控制16个气动肌肉纤维的激励气压和其在滑轨中的位移,此结构的刚度可以灵活的在很宽的区间内变化,此结构的刚度变化可以达到357%,而且具备局部变刚度的特性。将气动肌肉纤维嵌入软材料(硅橡胶类超弹体)基体中制成形状自适应的蒙皮结构。与以往大部分变形蒙皮不同的是:气动肌肉纤维主动变形蒙皮不仅是可实现收缩和弯曲变形的自适应结构,其自身也是驱动器。本文建立了气动肌肉纤维主动变形蒙皮的理论模型用以研究其输出力与位移之间的关系。所建立的理论模型的基础模型为第三章中建立的气动肌肉纤维刚度模型,提出了用以描述主动变形蒙皮在气动肌肉纤维做功过程中输出力损耗的修正项。在对嵌入1个气动肌肉纤维主动变形蒙皮理论模型的修正项研究基础上,将其推广应用到嵌入多个气动肌肉纤维的主动变形蒙皮中。本文设计、制作和测试了3种主动变形蒙皮结构,这3种结构分别嵌入1、2和4个气动肌肉纤维。通过实验对建立的理论模型进行了验证。最后提出了基于气动肌肉纤维的形状自适应结构。通过分别激励不同组合的气动肌肉纤维,此形状自适应结构可以实现多自由度变形。设计和研制了可主动变形、可连续变翼型的自适应机翼结构。此自适应机翼结构中气动肌肉纤维主动变形蒙皮作为下表面蒙皮,驱动自身和自适应机翼结构的协同变形。对此自适应机翼结构的主动变形行为开展了研究,采用有限元分析中的几何大变形分析方法,得到了自适应机翼结构的静态变形翼型。同时采用三维非接触式激光测量方法,将实验测试结果与有限元分析结果进行了对比。这样通过对自适应机翼结构变形行为的研究,得到了自适应机翼结构在变形过程中的静态变形翼型。当气动肌肉纤维主动变形蒙皮的激励气压为0.3MPa时,自适应机翼结构后缘的竖向位移达到38.2mm,自适应机翼结构的弯曲角度达到8.68°。
【关键词】：变体飞行器 气动肌肉纤维 主动变形蒙皮 变刚度 自适应机翼
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V214
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-39
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 变体飞行器研究现状15-26
• 1.2.1 面内变形17-22
• 1.2.2 面外变形22-24
• 1.2.3 翼型自适应变形24-26
• 1.3 柔性变形蒙皮研究现状26-34
• 1.3.1 软材料蒙皮27
• 1.3.2 变刚度蒙皮27-34
• 1.4 气动肌肉与气动肌肉纤维的研究进展34-37
• 1.4.1 气动肌肉的研究进展34-35
• 1.4.2 气动肌肉纤维的研究进展35-37
• 1.5 本文主要研究内容37-39
• 第2章 气动肌肉纤维的结构设计与性能分析39-53
• 2.1 引言39
• 2.2 气囊材料对气动肌肉纤维性能的影响39-42
• 2.2.1 三种不同气囊的气动肌肉纤维的制作39-40
• 2.2.2 气动肌肉纤维的测试与分析40-42
• 2.3 气动肌肉的结构设计与性能分析42-49
• 2.3.1 气动肌肉的制作42-43
• 2.3.2 气动肌肉的测试与分析43-49
• 2.4 改进型气动肌肉纤维的结构设计49-51
• 2.4.1 素材选取49
• 2.4.2 气动肌肉纤维的改进49-51
• 2.5 本章小结51-53
• 第3章 气动肌肉纤维的刚度和变刚度特性研究53-70
• 3.1 引言53
• 3.2 气动肌肉纤维的非线性准静态刚度方程53-61
• 3.2.1 气动肌肉纤维刚度方程的描述53-55
• 3.2.2 气囊的几何构型55-57
• 3.2.3 应力分量的求解57-59
• 3.2.4 气动肌肉纤维刚度方程的建立59-61
• 3.3 气动肌肉纤维实验测试与分析61-64
• 3.3.1 气动肌肉纤维刚度方程参数的确定61
• 3.3.2 气动肌肉纤维实验测试与分析61-63
• 3.3.3 实验测试结果与理论模型计算结果的对比分析63-64
• 3.4 气动肌肉纤维的变刚度特性研究64-69
• 3.4.1 气动肌肉纤维变刚度特性64-66
• 3.4.2 气动肌肉纤维圆形阵列结构的变刚度特性66-69
• 3.5 本章小结69-70
• 第4章 气动肌肉纤维主动变形蒙皮结构的性能研究70-91
• 4.1 引言70
• 4.2 气动肌肉纤维主动变形蒙皮输出力与位移关系的理论模型70-86
• 4.2.1 气动肌肉纤维主动变形蒙皮70-73
• 4.2.2 气动肌肉纤维主动变形蒙皮的实验测试与分析73-76
• 4.2.3 理论模型76-78
• 4.2.4 理论模型中参数确定以及模型验证78-86
• 4.3 基于气动肌肉纤维的形状自适应结构86-89
• 4.3.1 形状自适应结构的设计86-87
• 4.3.2 形状自适应结构的多自由度变形87-89
• 4.4 本章小结89-91
• 第5章 气动肌肉纤维主动变形蒙皮驱动自适应机翼结构91-106
• 5.1 引言91
• 5.2 自适应机翼结构的设计与研制91-98
• 5.2.1 自适应机翼结构的设计91-93
• 5.2.2 自适应机翼结构的研制93-98
• 5.3 自适应机翼结构变形过程98-105
• 5.3.1 主动变形蒙皮驱动自适应机翼结构变形98-99
• 5.3.2 自适应机翼结构变形过程的三维非接触式监测与测量99-102
• 5.3.3 自适应机翼结构几何大变形阶段的有限元分析102-103
• 5.3.4 自适应机翼结构弯曲角度103-105
• 5.4 本章小结105-106
• 结论106-110
• 参考文献110-124
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文及其它成果124-126
• 致谢126-128
• 个人简历128

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本文编号：647796