基于变刚度蒙皮和零泊松比蜂窝的变弯度机翼结构研究

发布时间：2018-02-14 23:55

本文关键词： 变体飞行器变形蒙皮自适应支撑结构变刚度波纹结构零泊松比蜂窝结构　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：传统的飞行器一般是针对单一飞行状态下气动效率最优的情况进行设计的,无法做到在飞行包线的各个状态都具有最佳的气动效率。典型的飞行任务一般由几个不同的操作环节组成,且飞行器往往需要完成多种组合任务,普通的固定翼飞行器很难满足飞行器对多任务执行能力的需求。可变形飞行器是指可以根据不同的飞行环境对自身构型进行自适应调整,拥有较高的空气动力特性,并在整个飞行包线内具有最优的气动力特性和多任务执行能力的一类新型飞行器,是未来飞行器的一个重要发展方向。机翼是飞行器能够飞行的主要升力部件,是飞行器设计当中需要重点考虑的部分。变形机翼是一个复杂而繁琐的系统,它包括变形蒙皮、自适应支撑结构、驱动器及其相关机构。每个部分的设计和研制都需要在柔性、刚度和重量之间进行权衡,既需要足够的柔性来保证机翼的变形能力,又需要较大的刚度来保证变形机翼能够承担严苛的气动荷载,还需要尽可能小的重量来减少变形飞行器的燃油消耗。针对可变形蒙皮、自适应支撑结构和高效能驱动方法等可变形机翼的重要组成部分所面临的问题,本文提出了三种基于形状记忆聚合物的变刚度可变形蒙皮、一种具有零泊松比效应的蜂窝支撑结构和这种零泊松比蜂窝结构的气压驱动方法,并对提出的变形结构进行了合理的选择和集成,设计并研制了一种变弯度机翼结构。变形蒙皮既需要有一定柔性来实现机翼的变形,同时又需要具有一定的刚性来承担机翼的气动荷载。为了满足对变形和承载两方面的需求,本文设计并研制了三种基于形状记忆聚合物的变刚度变形蒙皮。首先,研制了一种电驱动形状记忆聚合物变刚度蒙皮,并对其微观形貌、力学性能、电导特性、形状回复特性、加热性能、可调温度分布、温度和应变敏感特性等方面进行了详细研究。研究表明,这种变形蒙皮可以在施加较低电压时通过自身的焦耳热实现均匀快速升温,实现变形蒙皮的通过电-热驱动的变刚度特性。此外,这种变形蒙皮还具有温度和应变自传感、成本低和可设计性强等优点,适合应用于中小尺度变形机翼结构。其次,考虑到变形蒙皮对较大尺度变形的需求,本文研制了波纹板变形结构,并对其力学性能进行了理论分析、有限元数值分析和试验测试。研究结果表明三者的分析结果有很好的一致性,波纹板变形结构具有优良的各项异性力学性能。波纹板横向柔性好,容易实现大变形,波纹板纵刚度好,能够有效承担气动荷载。针对波纹板变形结构表面不光滑连续的缺点,本文提出并设计了一种基于波纹结构和形状记忆聚合物的变刚度波纹板变形蒙皮,即在波纹结构的一侧填充形状记忆聚合物,使变形蒙皮具有光滑的气动表面。对这种变刚度波纹板变形蒙皮的力学性能进行理论建模和有限元模拟,分析结果吻合良好。研究结果表明变刚度波纹板变形蒙皮兼具波纹结构优良的各向异性和形状记忆聚合物的变刚度特性。最后,将电驱动形状记忆聚合物蒙皮和波纹板变形蒙皮进行集成,设计并研制了一种电驱动变刚度波纹板变形蒙皮,并对这种变形蒙皮的力学性能和电加热性能进行了试验研究。研究结果表明这种变形蒙皮可以具有波纹板优良的各向异性力学性能和大变形能力,同时可以通过其自身电阻产生的焦耳热实现蒙皮的变刚度特性。为了给变形机翼提供自适应支撑结构,本文提出了一种四角星形零泊松比蜂窝结构。此蜂窝结构可在两个垂直方向上变形,并在变形过程中保持蜂窝结构的边界光滑性和零泊松比特性。得益于其零泊松比特性,此蜂窝结构在一个方向上变形时,不会因非变形方向的约束而引起等效模量的增加;同时,此零泊松比蜂窝结构可以避免正/负泊松比蜂窝在承受弯曲时出现翘曲(正泊松比蜂窝表现为马鞍形,负泊松比蜂窝表现为双曲形)的问题。对此零泊松比蜂窝结构的力学性能进行了理论分析、有限元数值分析和试验测试,三种分析结果吻合良好,充分验证了理论分析模型和有限元模拟的准确性,证明可以应用所建立的理论模型和有限元模拟方法对零泊松比蜂窝结构的力学性能进行准确的预测。基于理论模型综合分析了胞元几何尺寸和蜂窝厚度对力学性能的影响,为此蜂窝结构的优化设计提供理论指导。为了解决蜂窝结构的智能驱动方式问题,本文设计了零泊松比蜂窝的气压驱动方法,即在蜂窝结构的内部布置充气单元,通过调节充气单元的气压来实现蜂窝结构的主动变形。针对主动变形蜂窝结构的驱动性能,分别对变形蜂窝的变形位移、驱动力和等效弹性模量等进行理论分析,并应用有限元数值模拟方法验证理论分析的准确性。基于理论模型综合分析了胞元几何尺寸对主动变形零泊松比蜂窝结构力学性能的影响,为主动变形零泊松比蜂窝结构的设计提供了理论指导。针对传统变弯度机翼不能实现机翼光滑连续变形的缺点,本文研制了一种新型变弯度机翼结构。该变弯度机翼结构主要由电驱动变刚度波纹板变形蒙皮和主动变形零泊松比蜂窝结构构成,可以实现机翼后缘弯度的光滑连续变形。针对提出的变弯度机翼结构,采用有限元数值模拟的方法对其变形过程进行研究,得到了变弯度机翼后缘偏转位移与输入气压的关系,主动变形蜂窝结构以及变形蒙皮的变形位移和应力应变分布;为验证有限元数值模拟的准确性,研制了变弯度机翼样件并对其进行了地面试验,分别测试了变弯度机翼的后缘位移偏移量和变形蒙皮的等效应变分布。测试结果与有限元数值模拟的结果吻合较好。最后研究了机翼弯度对机翼气动性能的影响,对所提出的变弯度机翼处于不同构型时的空气动力学性能进行了有限元数值分析,证实变弯度机翼可以有效的改变机翼的气动性能,有助于实现机翼在不同飞行任务下的气动效率最优。
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【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】：2017
【分类号】：V224

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