中等尺度變形內(nèi)變體飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與變形技術(shù)研究.pdf

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

2、布式伸縮充壓管驅(qū)動器設(shè)計與性能分析、基于可變形蜂窩的柔順變彎度機(jī)翼設(shè)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(jìn)氣道型面變形分析研究，主要研究內(nèi)容與成果如下：
　　（1）針對目前變體飛機(jī)可變形結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)理分析基礎(chǔ)上，設(shè)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(jī)理、力

3、學(xué)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(dǎo)了主要等效模量的理論表達(dá)式。對十字形蜂窩試件進(jìn)行了力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，理論和仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。提出了基于十字形柔性蜂窩的復(fù)合式蒙皮及其設(shè)計方法，根據(jù)機(jī)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(jìn)行了設(shè)計，給出了滿足蒙皮使用需求的參數(shù)適合范圍，為該復(fù)合式柔性蒙皮的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。
　?。?）為了滿足變

4、體飛機(jī)分布式驅(qū)動要求，將天線結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方式引入液壓驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)油閥芯、內(nèi)部儲油膠管、鋁合金內(nèi)護(hù)管、外護(hù)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(diǎn)。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(dǎo)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(guān)系

5、，給出了等效抗壓剛度的工程簡化表達(dá)式。加工出充壓管驅(qū)動元件，并設(shè)計了包括液壓源、支撐和測量于一體的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)，對其驅(qū)動能力和力學(xué)性能開展了實(shí)驗(yàn)研究，為該伸縮充壓管驅(qū)動器在變體飛機(jī)上的應(yīng)用提供了一定的技術(shù)參考。
　?。?）提出了基于可變形蜂窩的柔順變彎度機(jī)翼概念設(shè)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(jìn)行了具體參數(shù)設(shè)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(jìn)行了等效簡化，在保證分析準(zhǔn)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(jìn)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(yù)期飛行工況下的使用要求。制作出柔順后緣機(jī)翼試件，對其在無來流狀態(tài)下的驅(qū)動變形進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程平穩(wěn)、數(shù)據(jù)符合預(yù)期，驗(yàn)證了柔性后緣設(shè)計和分析方法的有效性，為變彎度方案的工程

7、實(shí)現(xiàn)提供了一條新的設(shè)計途徑。
　?。?）為了改善不可調(diào)鼓包進(jìn)氣道在非設(shè)計點(diǎn)處的進(jìn)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(shè)計方案，利用變形型面的兩種穩(wěn)定構(gòu)型調(diào)節(jié)進(jìn)氣道進(jìn)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(jī)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(jìn)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(yīng)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(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動設(shè)計提供了參考。
　　本文工作得到國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)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(xiàng)目（項(xiàng)目編號：CXZZ12-01