變體飛行器柔性蒙皮及支撐結構性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)的飛行器是根據(jù)特定的飛行任務進行設計的，其固定的機翼外形通常只針對某一特定設計點是最優(yōu)化的。飛行過程中飛行參數(shù)連續(xù)變化，機翼的幾何外形在多數(shù)情況下都不是最優(yōu)狀態(tài)。變體飛行器可以針對外界飛行環(huán)境來改變自身的氣動布局，從而達到最優(yōu)化的飛行目標?？勺冃蚊善げ牧鲜菍崿F(xiàn)機翼可變形飛行器的關鍵技術之一。機翼要實現(xiàn)其弦長、展長、后掠角和面積等的大幅度變化，蒙皮必須能夠承受足夠大的變形，且在變形過程中要有足夠的剛度來維持機翼的氣動外形，同時在變形過

2、程中蒙皮材料的剪切模量要盡可能的小以減少驅動器對能量的要求。近年來，隨著復合材料及其加工工藝的出現(xiàn)，為變體飛行器的發(fā)展提供了良好的材料基礎。
　　本文立足于機翼可變形飛行器的研究現(xiàn)狀，考慮到可變形機翼對蒙皮材料和支撐結構的要求，首先設計并研制了三種具有特殊功能的可變形蒙皮或蒙皮內部關鍵結構：具有負泊松比效應的變形蒙皮，基于氣動肌纖維的主動可變形蒙皮和可嵌入蒙皮的變剛度管結構，并分別從理論和實驗角度對其進行了研究；接著研究了兩種可用

3、于機翼內部支撐的蜂窩結構：Anti-tetrachiral負泊松比蜂窩和SILICOMB零泊松比蜂窩，并從有限元，理論和實驗角度對其力學性能做了深入探討；最后，本文還在此基礎上設計并研究了一種可用于面內剪切變形的復合式機翼蒙皮結構，并對其變形和承載的能力進行了實驗驗證。
　　考慮到變形機翼對柔性蒙皮的要求，本文設計并研制了三種具有特殊功能的可變形蒙皮。首先，制作了一種具有面內負泊松比效應的纖維增強柔性復合材料蒙皮，并對其建立了三維

4、理論模型，用于描述蒙皮結構的彈性力學性能，理論模型的準確性通過實驗結果予以驗證?；诶碚撃Ｐ停治龊陀懻摿嗣善そY構的材料常數(shù)和幾何參數(shù)與其面內負泊松比之間的關系。研究結果顯示：通過合理化選擇材料基本參數(shù)，可以得到能夠滿足特殊面內負泊松比和彈性模量要求的復合材料蒙皮結構。分析結果可以為設計具有負泊松比效應的可變形蒙皮提供理論參考。接著，從仿生角度提出了一種基于氣動肌纖維的主動變形蒙皮。本文先設計并研制了一種小型的氣動肌纖維，通過力學拉伸實

5、驗和輸出力實驗對其性能進行了表征。在此基礎上，利用氣動肌纖維和硅橡膠材料制成了主動變形蒙皮，并對其進行了輸出力和承載力實驗驗證。輸出力實驗結果表明，通過調整輸入氣壓來改變變形蒙皮的收縮率，可以實現(xiàn)蒙皮主動變形的效果。此外，蒙皮承載力結果顯示，當主動變形蒙皮處于零收縮率時，可以通過調節(jié)氣壓值來改變主動變形蒙皮的橫向剛度，從而解決蒙皮鼓包問題。最后，本文提出了一種可改變剛度的變形蒙皮概念，此種蒙皮的關鍵技術就是可嵌入柔性蒙皮的變剛度管結構。

6、本文分別設計了兩種基于柔性基體和形狀記憶聚合物(SMP)的變剛度管結構，兩者分別通過結構設計和材料本身來實現(xiàn)剛度(模量)的改變。本文分別對兩種變剛度管建立了理論模型，用于描述其變剛度性能，理論模型的準確性通過實驗方法予以驗證。在此基礎上，采用理論方法分析和討論了兩種管的材料常數(shù)和幾何參數(shù)對其變剛度性能的影響，分析結果可用于指導設計具有不同變剛度性能的變形蒙皮。
　　考慮到變形機翼對內部支撐結構的要求，本文設計并研究了兩種具有不同泊

7、松比效應的蜂窩支撐結構。一方面，采用熔融沉積快速成型技術制作了具有負泊松比效應的Anti-tetrachiral蜂窩樣件，推導了可以用于描述蜂窩結構面內和面外彈性常數(shù)的理論公式，并從有限元和實驗角度對理論公式的準確性進行了驗證。在此基礎上，利用有限元和理論方法對此蜂窩的面內和面外彈性力學常數(shù)進行了預測。預測結果顯示，通過合理的選擇幾何參數(shù)，可以使得Anti-tetrachiral蜂窩具有最小的密度和最大的橫向剪切模量(或面內彈性模量)，

8、從而能夠最大限度的發(fā)揮其高模量低質量的優(yōu)勢。另一方面，本文基于剪紙工藝(Kirigami)制作了一種具有零泊松比效應的彎曲型 SILICOMB蜂窩結構。利用全尺寸有限元方法和循環(huán)壓縮實驗對SILICOMB蜂窩的面外剛度性能進行了研究，同時，實驗結果還顯示彎曲型SILICOMB蜂窩具有較大的面外變形能力和良好的變形恢復功能。此外，還采用有限元方法分析了幾何參數(shù)對此蜂窩面外剛度性能的影響。
　　最后，針對NextGen公司的滑動蒙皮結

9、構存在的缺點，本文綜合考慮已有的柔性表皮材料和蜂窩支撐結構，利用ANSYS有限元軟件設計了一種適合于面內剪切變形的復合式機翼蒙皮結構。在此基礎上，利用改進后的余弦型蜂窩支撐結構和氨綸織物增強柔性表皮制作了復合式蒙皮結構樣件，通過有限元模擬對其面內變形能力和面外承載能力進行了分析和預測，同時采用剪切變形和承載力實驗對其進行了實驗驗證。承載力實驗結果驗證了利用有限元方法設計蜂窩支撐結構和改進蒙皮結構性能的可行性，研究結果可以為設計面內剪切變