CN103158860A - 一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼 - Google Patents

Abstract

一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼，它涉及一种用两种驱动器进行驱动的可变后缘的变体机翼，以解决单独采用SMA进行驱动响应速度慢和用MFC进行驱动的驱动力小的问题，它包括蒙皮、固定件、活动件、至少一对形状记忆合金丝、至少一对弹性部件和至少一对压电纤维复合材料，固定件通过至少一对弹性部件活动件连接，位于至少一对弹性部件之间设置有至少一对形状记忆合金丝，至少一对形状记忆合金丝均分别与固定件和活动件连接，活动件能绕固定件转动，蒙皮包裹在固定件和活动件的外表面上，活动件包括上板、下板和连接板，上板、下板和连接板连接为一体呈环状结构。本发明用于制作飞机的机翼。

Description

一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼

技术领域

本发明涉及一种用两种驱动器进行驱动的可变后缘的变体机翼，属于变体飞行器领域。

背景技术

飞机发明至今，如何提高飞机的气动性能一直是飞机设计师研究的重要内容之一。目前定翼机的机翼都是按照固定的角度从机身向外伸展，足够坚固，飞行时不会产生大的移动或扭曲，尽管它具有用于提高飞行效率的前、后缘襟翼这些气动操作件，但其本身仍然是刚性表面，难以根据飞行时的飞行条件改变机翼的特征，飞机机翼的气动效率得不到最优化。而自然界中的鸟翼却可以随时根据飞行的需要进行微妙的调整，达到令人惊叹的高效率。以智能材料与结构为基础的变体机翼将是解决传统飞机机翼和感觉灵敏的鸟类翅膀之间的差距这一问题的有效方法。它将新型智能材料、新型作动器、激励器、传感器无缝地综合应用于飞行器机翼，通过应用灵敏的传感器和作动器，光滑而持续地改变机翼的形状，对不断改变的飞行条件做出响应，从而可使飞机像鸟一样随意地在空中进行盘旋、倒飞和侧向滑行。

驱动元件是变体结构的关键技术之一，它的作用是执行信息处理和控制单元发出的指令。在智能变体结构中，驱动元件和传感元件一般复合在基体内部，通过信息处理和控制单元，根据识别到的外部参数，经过分析判断，依靠埋入材料内部的驱动元件来实现动作，进而改变结构的形状、应力、应变等特性，使变体结构实现其环境变化的要求。目前应用的驱动器材料主要有电磁流变材料、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、压电材料、形状记忆材料、高分子聚合物等。形状记忆合金(SMA)和压电纤维复合材料(MFC)是国内外研究中普遍采用的智能驱动器。MFC具有轻质、高效、容易制造等优点，更重要的是可应用于曲面结构但同其他类型驱动器相比，MFC的驱动力及力矩还是小得多；SMA驱动力大，但是对敏捷的机动飞行而言响应时间不够快。

发明内容

本发明的目的是为解决单独采用SMA进行驱动响应速度慢和用MFC进行驱动的驱动力小的问题，进而提供一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼包括蒙皮、固定件、活动件、至少一对形状记忆合金丝、至少一对弹性部件和至少一对压电纤维复合材料，固定件通过至少一对弹性部件与活动件连接，位于至少一对弹性部件之间设置有至少一对形状记忆合金丝，至少一对形状记忆合金丝的两端分别与固定件和活动件连接，活动件能绕固定件转动，蒙皮包裹在固定件和活动件的外表面上，活动件包括上板、下板和连接板，上板、下板和连接板连接为一体呈环状结构，上板的内表面上粘接有至少一个压电纤维复合材料，下板的内表面上粘接有至少一个压电纤维复合材料，粘接在上板内表面上的压电纤维复合材料与粘接在下板内表面上的压电纤维复合材料成对设置。

本发明的有益效果是：本发明提出一种运用形状记忆合金(SMA)及压电纤维复合材料(MFC)组合的驱动器共同对机翼后缘进行驱动的方案，SMA通过连接固定件和活动件，弹性部件连接固定件和活动件。用SMA进行驱动时，可拉动活动件绕固定件转动。MFC粘贴在活动件上板和下板的内表面上，可驱动活动件发生弹性变形。本发明的固定件为一个相对飞机机体固定的部件，活动件为一个作为机翼后缘的部件，本发明利用了SMA驱动力大的优点(施加约束时，最高应力可达700Mpa)，可驱动机翼后缘发生大角度(正负20°的转角)的转动，同时利用了MFC响应速度快的优点，可快速驱动机翼后缘发生变形。同现有的单独运用SMA或MFC进行驱动的变体机翼相比，变体机翼能在后缘处产生较大变形，具有变形幅度大(正负20°的转角)，响应速度快(响应时间小于20毫秒)等优点。本发明结构简单，设计合理，运行稳定。

附图说明

图1是本发明的主剖视结构意图，图2是本发明的固定件的主视结构示意图，图3是本发明的活动件的主视结构示意图，图4是接头的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼包括蒙皮1、固定件2、活动件7、至少一对形状记忆合金丝3、至少一对弹性部件5和至少一对压电纤维复合材料8，固定件2通过至少一对弹性部件5与活动件7连接，位于至少一对弹性部件5之间设置有至少一对形状记忆合金丝3，至少一对形状记忆合金丝3的两端分别与固定件2和活动件7连接，活动件7能绕固定件2转动，蒙皮1包裹在固定件2和活动件7的外表面上，活动件7包括上板7-1、下板7-2和连接板7-3，上板7-1、下板7-2和连接板7-3连接为一体呈环状结构，上板7-1的内表面上粘接有至少一个压电纤维复合材料8，下板7-2的内表面上粘接有至少一个压电纤维复合材料8，粘接在上板7-1内表面上的压电纤维复合材料8与粘接在下板7-2内表面上的压电纤维复合材料8成对设置。

本实施方式的呈环状结构的活动件的上板和下板连接制成一体并制作成目标翼型的曲面形状。以满足设计和实际需要。

具体实施方式二：结合图1和2说明本实施方式，本实施方式所述固定件2包括弧形板2-1和立板2-2，弧形板2-1的前端连接有一个立板2-2，立板2-2和弧形板2-1之间构成一个通孔2-4。如此设置，便于与飞机机体固定连接。其它具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述固定件2还包括平板2-3，立板2-2上连接有一个平板2-3，平板2-3的端部具有圆柱形凸台2-5，连接板7-3的中部具有与圆柱形凸台2-5的侧面相配的凹面7-3-1，圆柱形凸台2-5的侧面贴靠在连接板7-3的凹面7-3-1上。如此设置，设计合理，结构简单，当SMA进行驱动时，能有效地实现活动件7能绕固定件2转动，方便可靠。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四，结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的弧形板2-1的后端的上部设置有第一钩环2-1-1，弧形板2-1的后端的下部设置有第二钩环2-1-2，连接板7-3的上端具有第三钩环7-3-2，连接板7-3的下端具有第四钩环7-3-3，弧形板2-1的后端的上部通过钩接在第一钩环2-1-1和第三钩环7-3-2上的一个弹性部件5与活动件7的上板7-1连接，弧形板2-1的后端的下部通过钩接在第二钩环2-1-2和第四钩环7-3-3上的另一个弹性部件5与活动件7的下板7-2连接。如此设置，连接简便可靠，安装使用方便，满足设计要求。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述至少一对弹性部件5为螺旋弹簧。如此设置，活动件和固定件的连接可靠简便，同时方便活动件能有效地围绕固定件转动。其它与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式所述机翼还包括四个接头4，位于平板2-3上下侧的立板2-2上分别设置一个接头4，连接板7-3的上下端各设置有一个接头4，每个形状记忆合金丝3与相应的两个接头4可拆卸连接。如此设置，占用空间小，方便记忆合金丝的连接安装。其它与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述机翼还包括四个螺栓，每个接头4为长方体接头，每个接头4的其中一个厚度方向的侧面的中部具有凹槽4-1，凹槽4-1的贯通方向与所述其中一个厚度方向相垂直，所述其中一个厚度方向的侧面的中部具有螺纹孔4-2，螺纹孔4-2的轴线与凹槽4-2的贯通方向相垂直，每个记忆合金丝3的两端穿过相应的凹槽4-1，在螺纹孔4-2处旋拧入螺栓压紧形状记忆合金丝3。如此设置，便于记忆合金丝安装和拆卸，连接可靠简便，本实施方式使用时，先将记忆合金丝通过螺栓固定好后，再将接头焊接到固定件或活动件上，可实现SMA和固定件或活动件的连接，满足设计要求和实际需要。其它具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述蒙皮1为弹性材料制成的蒙皮。如此设置，可塑性好，包裹结实，便于适合不同飞机的翼型的外蒙皮的需要，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。

Claims (8)

1.一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼，其特征在于：所述机翼包括蒙皮(1)、固定件(2)、活动件(7)、至少一对形状记忆合金丝(3)、至少一对弹性部件(5)和至少一对压电纤维复合材料(8)，固定件(2)通过至少一对弹性部件(5)与活动件(7)连接，位于至少一对弹性部件(5)之间设置有至少一对形状记忆合金丝(3)，至少一对形状记忆合金丝(3)的两端分别与固定件(2)和活动件(7)连接，活动件(7)能绕固定件(2)转动，蒙皮(1)包裹在固定件(2)和活动件(7)的外表面上，活动件(7)包括上板(7-1)、下板(7-2)和连接板(7-3)，上板(7-1)、下板(7-2)和连接板(7-3)连接为一体呈环状结构，上板(7-1)的内表面上粘接有至少一个压电纤维复合材料(8)，下板(7-2)的内表面上粘接有至少一个压电纤维复合材料(8)，粘接在上板(7-1)内表面上的压电纤维复合材料(8)与粘接在下板(7-2)内表面上的压电纤维复合材料(8)成对设置。

2.根据权利要求1所述的一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼，其特征在于：所述固定件(2)包括弧形板(2-1)和立板(2-2)，弧形板(2-1)的前端连接有一个立板(2-2)，立板(2-2)和弧形板(2-1)之间构成一个通孔(2-4)。

3.根据权利要求2所述的一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼，其特征在于：所述固定件(2)还包括平板(2-3)，立板(2-2)上连接有一个平板(2-3)，平板(2-3)的端部具有圆柱形凸台(2-5)，连接板(7-3)的中部具有与圆柱形凸台(2-5)的侧面相配的凹面(7-3-1)，圆柱形凸台(2-5)的侧面贴靠在连接板(7-3)的凹面(7-3-1)上。

4.根据权利要求3的一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼，其特征在于：弧形板(2-1)的后端的上部设置有第一钩环(2-1-1)，弧形板(2-1)的后端的下部设置有第二钩环(2-1-2)，连接板(7-3)的上端具有第三钩环(7-3-2)，连接板(7-3)的下端具有第四钩环(7-3-3)，弧形板(2-1)的后端的上部通过钩接在第一钩环(2-1-1)和第三钩环(7-3-2)上的一个弹性部件(5)与活动件(7)的上板(7-1)连接，弧形板(2-1)的后端的下部通过钩接在第二钩环(2-1-2)和第四钩环(7-3-3)上的另一个弹性部件(5)与活动件(7)的下板(7-2)连接。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼，其特征在于：所述至少一对弹性部件(5)为螺旋弹簧。

6.根据权利要求3或4所述的一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼，其特征在于：所述机翼还包括四个接头(4)，位于平板(2-3)上下侧的立板(2-2)上分别设置一个接头(4)，连接板(7-3)的上下端各设置有一个接头(4)，每个形状记忆合金丝(3)与相应的两个接头(4)连接。

7.根据权利要求6所述的一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼，其特征在于：所述机翼还包括四个螺栓，每个接头(4)为长方体接头，每个接头(4)的其中一个厚度方向的侧面的中部具有凹槽(4-1)，凹槽(4-1)的贯通方向与所述其中一个厚度方向相垂直，所述其中一个厚度方向的侧面的中部具有螺纹孔(4-2)，螺纹孔(4-2)的轴线与凹槽(4-2)的贯通方向相垂直，每个记忆合金丝(3)的两端穿过相应的凹槽(4-1)，在螺纹孔(4-2)处旋拧入螺栓压紧形状记忆合金丝(3)。

8.根据权利要求1所述的一种由形状记忆合金和压电纤维复合材料组合驱动的可变后缘机翼，其特征在于：所述蒙皮(1)为弹性材料制成的蒙皮。

Images