CN102700704A - 一种飞行器变形蒙皮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行器变形蒙皮，由N个连续的蜂窝单元（21）连接组成，其中N为自然数，其特征在于，所述的蜂窝单元（21）中填充有弹性基体（3）。本发明采用对不同性能材料复合的方法，在保证变形能力的前提下，尽可能地提高了变形蒙皮的传递载荷的能力，解决了在较低的驱动力作用下实现较大的弹性变形并传递气动载荷之间的矛盾，并进一步利用聚氨酯弹性体的电致伸缩效应，对局部流场进行主动控制，使变形蒙皮具有了不同尺度变形的能力。实现对智能可变体飞行器性能的综合优化。

Description

一种飞行器变形蒙皮

技术领域

本发明涉及一种飞行器蒙皮，尤其涉及一种用于智能可变体飞行器的蒙皮。

背景技术

飞行器蒙皮在飞行器结构中起到保持光滑的气动表面，并传递局部气动载荷的作用。目前，传统的飞行器蒙皮一般由强度和刚度较高的金属材料或复合材料制得，并且在蒙皮的内侧有桁条提供支撑，构成飞行器的壁板。近年来，国内外对于智能可变体飞行器的研究逐步深入。所谓智能可变体飞行器是指根据飞行环境和飞行任务的变化主动改变自身外形适应这种变化以实现飞行器性能的提升。由于机翼(旋翼)是决定飞机(直升机)性能的主要部件，所以一般针对机翼(旋翼)展开智能可变体研究。从变形尺度来看，可变形飞行器包括大尺度变形(如改变机翼展长以实现翼面积的大幅度改变)、中等尺度变形(如改变机翼前后缘的弯度)和小尺度变形(如进行局部流场的控制)三种。可变体飞行器外形可变的特点对其蒙皮提出了新的要求。用于智能可变体飞行器的蒙皮需要满足的要求包括以下三点：一是较高的弹性极限，即蒙皮可以发生较大的变形而不进入塑性段；二是弹性模量要相对较低，以降低对驱动力的要求；三是要能够传递气动载荷。张元明、赵鹏飞(《单块式玻璃钢蜂窝夹层结构机翼设计》，玻璃钢/复合材料，1995年4月)介绍了小型无人机单块式玻璃钢蜂窝夹层结构机翼的结构设计方法，并给出了机翼的强度试验结果和装机飞行结果。尹维龙等人(尹维龙、孙启建、张波、刘京藏、冷劲松，《形状记忆聚合物在可变形飞行器上的应用》，第十五届全国复合材料学术会议论文集，2008年7月)研制了形状记忆聚合物来实现蒙皮的大变形，但其承载能力有限。刘颖卓等(刘颖卓、张永存、***、王向明，《考虑复合材料蒙皮稳定性的飞机翼面结构布局优化设计》，航空学报，2010年10月)针对多墙式翼面结构，建立了一种考虑复合材料蒙皮稳定性的翼面结构布局优化问题的数学模型。徐志伟等人(戚健龙，徐志伟，朱倩，张磊，《变体机翼大变形梯形蒙皮结构研究》，功能材料，2011年第1期，42卷)建立了梯形蒙皮结构的力学分析数学模型，与有限元仿真分析结果进行了比较和分析。刘力搏等人(刘力搏，《基于可变形蒙皮的柔性后缘力学分析》，哈尔滨工业大学硕士学位论文，2011年)用数值方法模拟前后缘变弯度机翼，得到其升力、阻力、俯仰力矩等参数，并与传统偏折前后缘机翼进行对比，得出变弯度机翼的气动特性。周春华等(周春华、王帮峰、刘曌、宁素娟、牟常伟，《波纹型复合材料蒙皮拉伸变形特性研究与仿真分析》，2011年11月)利用MSC.Patran/Nastran对此波纹型结构进行了有限元仿真分析，并进行了样件拉伸试验，，验证了仿真模型的正确性与波纹型蒙皮的大变形能力。

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种用于智能可变体飞行器的蒙皮，该蒙皮可在较低驱动力下实现较大的弹性形变，并且可根据实际需要实现平面内的一维变形和局部变形。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的飞行器变形蒙皮由多个连续的蜂窝单元连接组成，各个蜂窝单元之间呈周期性排列，具有周期性结构，所述的蜂窝单元中填充有弹性基体。

优选地，所述的弹性基体材料为聚氨酯材料，可以为聚醚型或聚酯型材料。聚氨酯弹性体是主链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物，通过调节原料的比例对弹性体的硬度、伸长极限以及其他性能进行调整以适应不同的使用场合，由于聚氨酯弹性体具有较高的弹性极限和较低的弹性模量，使得可变形蒙皮可以在较低的驱动力作用下发生较大的弹性变形；同时聚氨酯弹性体具有电致伸缩效应，即在外加电场的作用下，可以发生形变，实现变形蒙皮的局部变形。

优选地，所述的蜂窝单元为六边型蜂窝单元，也可以是具有负泊松比的六边形蜂窝单元，每个蜂窝单元中都填充有所述的弹性基体。

所述的蜂窝单元本身具有一定的强度，一般由热固性塑料制成，也可能选取其他具有较高屈服极限的金属制成。

在本技术方案的基于弹性基体的变形蒙皮中，所述的蜂窝结构埋在弹性基体中，构成一种蜂窝增强弹性体，使得其既有较好的变形能力(由弹性基体提供)，又具有抗弯的能力(由蜂窝提供)。

更进一步地，为了使本发明的变形蒙皮具有更好的性能，在所述连续的蜂窝单元两侧分别设置有弹性面板，即弹性面板与连续蜂窝单元构成一个复合结构，可使用在飞行速度较快的飞行器上。在该复合结构中，弹性面板对蜂窝单元和蜂窝单元中填充的弹性基体进行保护，增加了变形蒙皮整体的承载的能力，同时也作为变形蒙皮中弹性体产生电致伸缩时的电极。所述的弹性面板可以是由聚氨酯直接制成的弹性面板，也可以是由碳纤维复合材料与弹性体复合而成的柔性复合材料面板。

当蜂窝单元中填充弹性基体时，一般需对蜂窝孔壁预先进行喷砂或化学处理，使蜂窝壁与弹性基体可以可靠地固化在一起。

本发明的技术方案中，具有周期性的蜂窝单元只可以使用在变形要求不高、气动载荷作用也较小的场合；当蜂窝单元中填充有弹性基体时，则增强了蜂窝单元的面内变形能力，当同时与弹性面板构成复合结构时，弹性基体对弹性面板也起到增强的作用。

本发明中提出的变形蒙皮的性能是弹性体性能和蜂窝性能的综合结果。由于弹性体一般被视为不可压缩材料，泊松比约等于0.5，通过合适的组合和调节，如果蜂窝具有负泊松比，便可以使蒙皮整体具有零泊松比的特点，满足需要蒙皮具有零泊松比特性的应用场合。

以下将结合蜂窝结构有关原理对本发明进行进一步说明：

蜂窝结构可以视为正交各向异性材料，通过9个等效工程常数来描述其力学性能。其应力应变关系可以写作：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1\\ {\mathrm{\ϵ}}_2\\ {\mathrm{\ϵ}}_3\\ {\mathrm{\ϵ}}_4\\ {\mathrm{\ϵ}}_5\\ {\mathrm{\ϵ}}_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}\frac{1}{E_1}& -\frac{{\mathrm{\υ}}_{12}}{E_2}& -\frac{{\mathrm{\υ}}_{13}}{E_3}& 0& 0& 0\\ -\frac{{\mathrm{\υ}}_{21}}{E_1}& \frac{1}{E_2}& -\frac{{\mathrm{\υ}}_{23}}{E_3}& 0& 0& 0\\ -\frac{{\mathrm{\υ}}_{31}}{E_1}& -\frac{{\mathrm{\υ}}_{32}}{E_2}& \frac{1}{E_3}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{G_{23}}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& \frac{1}{G_{31}}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& \frac{1}{G_{12}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_1\\ {\mathrm{\σ}}_2\\ {\mathrm{\σ}}_3\\ {\mathrm{\σ}}_4\\ {\mathrm{\σ}}_5\\ {\mathrm{\σ}}_6\end{array}\right]$

其中σ_i(i＝1，2，3...6)和ε_i(i＝1，2，3...6)分别表示不同方向的应力与应变值，在蜂窝中填充弹性材料后，由于弹性体的非线性特性，对其力学特性的描述改为在每一个小段中进行线性等效。

$\left[\begin{array}{c}d{\mathrm{\ϵ}}_1\\ d{\mathrm{\ϵ}}_2\\ {\mathrm{d\ϵ}}_3\\ d{\mathrm{\ϵ}}_4\\ d{\mathrm{\ϵ}}_5\\ d{\mathrm{\ϵ}}_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}\frac{1}{E_1}& -\frac{{\mathrm{\υ}}_{12}}{E_2}& -\frac{{\mathrm{\υ}}_{13}}{E_3}& 0& 0& 0\\ -\frac{{\mathrm{\υ}}_{21}}{E_1}& \frac{1}{E_2}& -\frac{{\mathrm{\υ}}_{23}}{E_3}& 0& 0& 0\\ -\frac{{\mathrm{\υ}}_{31}}{E_1}& -\frac{{\mathrm{\υ}}_{32}}{E_2}& \frac{1}{E_3}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{G_{23}}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& \frac{1}{G_{31}}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& \frac{1}{G_{12}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{d\σ}}_1\\ {\mathrm{d\σ}}_2\\ {\mathrm{d\σ}}_3\\ {\mathrm{d\σ}}_4\\ d{\mathrm{\σ}}_5\\ d{\mathrm{\σ}}_6\end{array}\right]$

其中dσ_i(i＝1，2，3...6)和dε_i(i＝1，2，3...6)为该小段内的应力与应变。

本发明的变形蒙皮可以实现具有不同尺度的变形能力，既可以在外界驱动力的作用下发生面内较大尺度的变形，也可以在外加电场的作用下实现面外的局部小变形以实现智能可变体飞行器的飞行性能的综合优化。

有益效果

本发明采用对不同性能材料复合的方法，在保证变形能力的前提下，尽可能地提高了变形蒙皮的传递载荷的能力，解决了在较低的驱动力作用下实现较大的弹性变形并传递气动载荷之间的矛盾，并进一步利用聚氨酯弹性体的电致伸缩效应，对局部流场进行主动控制，使变形蒙皮具有了不同尺度变形的能力。实现对智能可变体飞行器性能的综合优化。

说明书附图

图1是本发明的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的另一个实施例的结构示意图；

图3是六边形蜂窝单元结构示意图；

图4是负泊松比的蜂窝单元结构示意图；

图5是图2所示实施例的变形蒙皮局部变形示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1、图3所示，本实施例为一种基于六边形蜂窝单元和弹性基体的飞行器变形蒙皮，由具有周期性结构的蜂窝单元21连接组成，所述的蜂窝单元21中填充有弹性基体3；本实施例中的弹性基体3由聚氨酯弹性材料制成，并填充在各蜂窝单元21中。为了使聚氨酯弹性材料与蜂窝单元之间能牢固地结合在地起，预先对蜂窝单元的表面进行喷砂或其他化学处理使其具有一定的粗糙度。蜂窝单元本身的材料亦可选取金属材料或者热固性塑料。

本实施例的变形蒙皮将六边形蜂窝单元和聚氨酯弹性材料结合在一起，使得其既有较好的变形能力(由弹性基体提供)，又具有抗弯的能力(由蜂窝提供)，提高了蜂窝结构的弹性变形极限。

实施例二：

如图2、图3所示，本实施例为一种基于六边形蜂窝单元和弹性基体的飞行器变形蒙皮，除了具有与实施例一相同的蜂窝单元21和弹性基体3的结合体外，还具有第一弹性面板1和第二弹性面板1’，所述的弹性面板同样由聚氨酯弹性材料制成，也可以由聚氨酯弹性材料层和碳纤维材料层复合制成，碳纤维材料层由若干层(1到4层)单层板制得；聚氨酯弹性体材料厚度在0.5-1.5mm。弹性面板对蜂窝结构中填充弹性基体以起到支撑作用，增加了可变形蒙皮的承载能力。

如图4所示，本实施例中的蜂窝单元为具有负泊松比的六边形蜂窝单元。

如图5所示，本实施例中的弹性面板由2层碳纤维材料层和一层聚氨酯弹性材料复合而成，并作为电极使用，配合填充在蜂窝单元中的弹性基体产生电致伸缩变形，以实现变形蒙皮的局部变形。

Claims (8)

1.一种飞行器变形蒙皮，由N个连续的蜂窝单元（21）连接组成，其中N为自然数，其特征在于，所述的蜂窝单元（21）中填充有弹性基体（3）。

2.如权利要求1所述的飞行器变形蒙皮，其特征在于，所述的弹性基体（3）为聚氨酯弹性基体。

3.如权利要求1或2所述的飞行器变形蒙皮，其特征在于，所述的蜂窝单元（21）为六边形蜂窝单元。

4.如权利要求1或2所述的飞行器变形蒙皮，其特征在于，所述的蜂窝单元（21）为具有负泊松比的六边形蜂窝单元。

5.如权利要求1所述的飞行器变形蒙皮，其特征在于，所述的蜂窝单元（21）由热固性塑料制成。

6.如权利要求1所述飞行器变形蒙皮，其特征在于，还包括第一、第二弹性面板（1、1’），所述的多个连续的蜂窝单元（21）位于第一弹性面板（1）和第二弹性面板（1’）之间。

7.如权利要求6所述的飞行器变形蒙皮，其特征在于，所述的第一、第二弹性面板（1、1’）由聚氨酯弹性材料制成。

8.如权利要求6所述的飞行器变形蒙皮，其特征在于，所述的第一、第二弹性面板（1、1’）由聚氨酯弹性材料层和碳纤维材料层复合制成。

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