CN103434639A - 传感—驱动一体化的复合材料机翼蒙皮及测试***与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感—驱动一体化的复合材料机翼蒙皮及测试***与应用，属于飞机气动设计和结构设计领域。该蒙皮由上而下依次由N层半蜂窝结构复合材料传感层拼合而成，拼合后纵向截面呈蜂窝结构；相邻的半蜂窝结构复合材料传感层之间还具有形状记忆合金驱动夹层（3）；半蜂窝结构复合材料传感层由上下两层纤维增强型复合材料层（1）和位于中间的光纤传感夹层（2）构成；上述蜂窝结构的中空部分填充有硅橡胶（4）；上述光纤传感夹层（2）中设置有光纤光栅传感器（8）；上述形状记忆合金驱动夹层（3）设置有形状记忆合金丝（10）。本发明能满足对变体机翼变形状态自感知与高效主动控制需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮及测试***与应用，属于飞机气动设计和结构设计领域。
背景技术
机翼对飞机的升阻比、极限速度、机动性、操控及稳定性、经济以及安全性等有极为重要的影响。传统机翼为了追求更高效能的机翼，可变体机翼（Morphing Wing,）技术成为当前国内外科学技术发展的前沿。不同于传统的固定翼飞机被动的流场控制方式，变体机翼具有翼型自适应能力，可以根据飞行任务和流场条件要求，通过机翼主动变形，改善翼面流场，延缓气流分离，始终保持满足飞行所需的最佳形状，抑制气动噪声与振动。变体机翼对机翼蒙皮要求较高，需要具有较大变形能力与较强承载能力。传统蒙皮主要是保持机翼气动外形，承受与传递飞行气动载荷，无法改善飞机气动性能。
可变体机翼主要采用三种形式的蒙皮：一是分片式可移动硬蒙皮，承载能力较好，抗高温能力较强，焊接比较方便，但是驱动机构复杂且所需驱动力较大，无法满足机翼表面光滑、连续和整体气密性的要求。二是橡胶蒙皮，具有良好的变形能力和气密性，但是承载能力能力不高，抗损伤性能差。三是基于智能材料与结构蒙皮，集传感器、驱动器与信号处理器于一体，采用智能材料结构替代传统的舵面及操纵***，从而简化机翼结构，降低重量，同时可以实现无铰接、连续光滑的机翼表面形状。
申请号200910234391.2的中国专利公开了一种复合材料机翼蒙皮及其驱动方法，蒙皮采用波纹构型，利用形状记忆合金驱动器实现机翼蒙皮拉伸变形。但上述发明专利未涉及蒙皮弯曲变形以及蒙皮变形测量方法。
发明内容
本发明的目的是：针对变体机翼变形状态自感知与高效主动控制需求，本发明提供一种传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮及测试***与应用。将光纤传感夹层与形状记忆合金驱动夹层结合在纤维增强纤维增强型复合材料内，制作成蜂窝结构，满足变体机翼前、后缘弯曲大变形的要求。
一种传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮，其特征在于：由上而下依次由N层半蜂窝结构复合材料传感层拼合而成，拼合后纵向截面呈蜂窝结构；相邻的半蜂窝结构复合材料传感层之间还具有形状记忆合金驱动夹层；半蜂窝结构复合材料传感层由上下两层纤维增强型复合材料层和位于中间的光纤传感夹层构成；上述蜂窝结构的中空部分填充有硅橡胶；上述光纤传感夹层中设置有光纤光栅传感器；上述形状记忆合金驱动夹层设置有形状记忆合金丝；N大于2，且N的大小与机翼蒙皮面积有关，机翼蒙皮面积越大N越大。
所述的传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮的测试***，其特征在于：所述光纤光栅传感器（8）输出端与光纤光栅解调仪相连，通过测量光纤光栅传感器中心波长变化量反映蒙皮的变形情况。
所述的传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮的应用，安装于变体飞机机翼的前缘或后缘。
本发明的有益效果为
1. 本发明传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮采用蜂窝构型，在变形方向柔度高，变形量大。
2. 本发明传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮填充硅橡胶，可以满足机翼表面光滑、连续和气密性要求。
3. 本发明传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮利用形状记忆合金驱动器实现机翼上反或下反。
4. 本发明传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮，利用形状记忆合金使得蒙皮产生主动变形，通过传感器实现蒙皮变形实时监测，使蒙皮具有传感与驱动功能，实现变体机翼可控主动变形。
上述光纤传感夹层具体结构可为：由上下两层聚酰亚胺薄膜，和通过环氧树脂胶粘接于中间的光纤光栅传感器组成。
上述形状记忆合金驱动夹层具体结构可为：由上下两层聚酰亚胺薄膜，和通过环氧树脂胶粘接于中间的形状记忆合金丝组成。
上述形状记忆合金丝可以为双程形状记忆合金丝，也可以为单程形状记忆合金丝。采用单程形状记忆合金丝有制备工艺简单、使用寿命长等好处。
附图说明
图1为本发明传感—驱动一体化的复合材料机翼蒙皮示意图；
图2为本发明半蜂窝模具示意图；
图3为本发明光纤传感夹层示意图；
图4为本发明形状记忆合金驱动夹层示意图；
图中标号名称：1.纤维增强型复合材料，2. 光纤传感夹层，3. 形状记忆合金驱动夹层，4. 硅橡胶，5. 模具，6.聚酰亚胺薄膜，7.环氧树脂胶，8.光纤光栅传感器，9.光纤，10.形状记忆合金丝。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例的方式，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1
如图1、图2所示，传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮，由纤维增强型复合材料1制得，所述纤维增强型复合材料采用玻璃纤维、芳纶纤维预浸料制得，在两层纤维增强型复合材料1之间设置光纤传感夹层2，所述纤维增强型复合材料1与光纤传感夹层2在真空干燥箱70℃环境中采用模具5一次压制成半蜂窝结构。两个半蜂窝结构之间粘贴形状记忆合金驱动夹层3，中空部分填充硅橡胶4。
如图3所示，所述光纤传感夹层2依次为聚酰亚胺薄膜6、环氧树脂胶7以及由光纤9串接的光纤光栅传感器8。
如图4所示，所述形状记忆合金驱动夹层3依次为聚酰亚胺薄膜6、环氧树脂胶7以及形状记忆合金丝10。所述形状记忆合金丝采用单程形状记忆合金丝，
在马弗炉中进行退火处理，退火温度450°C，退火时间2h，随炉冷却。所述形状记忆合金丝10常温状态保持直线状，高温状态记忆圆弧状。驱动夹层的固化过程在常温环境中进行。
本实施例中传感、驱动夹层的制作方法为：
将聚酰亚胺薄膜6平铺于平板上，再将环氧树脂胶7粘贴于聚酰亚胺薄膜6上，所需埋入的光纤光栅传感器8或形状记忆合金丝10理顺后，再将聚酰亚胺薄膜6材平铺于光纤光栅传感器8或形状记忆合金丝10上，用电烙铁轻轻熨平，放入平板硫化机中，在固化压力3MPa，热压温度180℃条件下热压2h，水冷至常温后取出。
所述聚酰亚胺薄膜6厚度为0.025mm或0.050mm；环氧树脂胶7可选用丁晴橡胶系固化胶，厚度0.025mm或0.050mm。
本实施例中传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮驱动方法为：
将形状记忆合金驱动夹层3内的形状记忆合金丝10与恒流电源相连，利用形状记忆合金丝10本身电阻对形状记忆合金驱动夹层3加热，使形状记忆合金驱动夹层3向上或向下弯，实现机翼上反或下反；切断恒流电源后，形状记忆合金丝10温度下降，机翼蒙皮开始回复。
本实施例中传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮变形测量方法为：
将光纤传感夹层2内的光纤传感网络输出端与光纤光栅解调仪相连，光纤光栅解调仪能够实时显示被测光纤光栅传感器8的中心波长变化量，中心波长变化量与机翼蒙皮变形量成正比，可以通过光纤传感网络测量机翼蒙皮的变形情况。
Claims (6)
1.一种传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮，其特征在于：由上而下依次由N层半蜂窝结构复合材料传感层拼合而成，拼合后纵向截面呈蜂窝结构；相邻的半蜂窝结构复合材料传感层之间还具有形状记忆合金驱动夹层（3）；半蜂窝结构复合材料传感层由上下两层纤维增强型复合材料层（1）和位于中间的光纤传感夹层（2）构成；上述蜂窝结构的中空部分填充有硅橡胶（4）；上述光纤传感夹层（2）中设置有光纤光栅传感器（8）；上述形状记忆合金驱动夹层（3）设置有形状记忆合金丝（10）；N大于2，且N的大小与机翼蒙皮面积有关，机翼蒙皮面积越大N越大。
2.根据权利要求1所述的传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮，其特征在于：上述光纤传感夹层（2）由上下两层聚酰亚胺薄膜（6），和通过环氧树脂胶粘接于中间的光纤光栅传感器（8）组成。
3.根据权利要求1所述的传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮，其特征在于：上述形状记忆合金驱动夹层（3）由上下两层聚酰亚胺薄膜，和通过环氧树脂胶粘接于中间的形状记忆合金丝（10）组成。
4.根据权利要求3所述的传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮，其特征在于：所述形状记忆合金丝（10）为单程形状记忆合金丝。
5.根据权利要求1所述的传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮的测试***，其特征在于：所述光纤光栅传感器（8）输出端与光纤光栅解调仪相连，通过测量光纤光栅传感器（8）中心波长变化量反映蒙皮的变形情况.，
所述形状记忆合金丝（10）与恒流电源相连，利用形状记忆合金丝本身电阻对形状记忆合金驱动夹层（3）加热，使形状记忆合金驱动夹层（3）向上或向下弯，实现机翼上反或下反。
6.根据权利要求1所述的传感-驱动一体化的复合材料机翼蒙皮的应用，安装于变体飞机机翼的前缘或后缘。
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