CN108153997B - 一种可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法，步骤如下：依据可变形Bump进气道变形前、后的两种形状，对应给出其柔性蒙皮变形范围里的两种形状，利用柔性蒙皮变形改变量确定内嵌柔性骨架中每根弹簧对应的伸长量Δ_i；依据可变形Bump进气道吸充气气囊内外压差ΔP，计算出柔性骨架承担的载荷，再计算出柔性骨架中任何一根弹簧承受的载荷P_i；根据步骤1获得的每根弹簧伸长量Δ_i以及步骤2获得的每根弹簧承受的载荷P_i，结合柔性蒙皮内嵌骨架的结构形式及其对应的计算公式，确定柔性骨架中的每根弹簧的相关参数

本申请的方法可在实现可变形Bump进气道功能的同时，消除现有的刚性DSI进气道的进发匹配的局限性，扩大进发匹配亚超速域范围。

Description

一种可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法

技术领域

本发明涉及变体飞机技术领域，特别涉及吸、充气式可变形Bump进气道领域，具体涉一种可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法。

背景技术

人类从自然界中得到启示：由于鸟类的翅膀可根据飞行环境的改变完成自适应变形，翅膀扭转的表面是无缝光滑且质量轻的，所以能够以极高的效率完成盘旋、滑翔、攻击等动作。大自然的启示和飞机设计发展的趋势共同指向了具有高效率和多任务适应性的变体飞机，仿生变形方案与智能材料及柔性结构等技术相融合，逐渐形成了以结构自适应变形和控制为主的变体技术研究体系。

变体飞机应该在不同飞行状态下都拥有良好的气动特性和高性能，因此，其结构需要具有很好的自适应性，所以需要探索新型柔性结构，来满足自适应结构的特性要求，最终能够应用到变体飞机上。

为了使现有的超声速无附面层隔道进气道能够实现现代高速飞行器的高速与低速各阶段的气流匹配，提高机动性和提高巡航特性，自适应可变鼓包形状的进气道可以满足以上要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法，在实现可变形Bump进气道功能的同时，消除现有的刚性DSI进气道的进发匹配的局限性，扩大进发匹配速域范围。

为实现上述目的，本发明提供一种可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法，包括如下步骤：

一种可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：依据可变形Bump进气道变形前、后的两种形状，对应给出其柔性蒙皮变形范围里的两种形状，利用柔性蒙皮变形改变量确定内嵌柔性骨架中每根弹簧对应的伸长量Δ_i；

步骤2：依据可变形Bump进气道吸充气气囊内外压差ΔP，计算出柔性骨架承担的载荷，再计算出柔性骨架中任何一根弹簧承受的载荷P_i；

步骤3：根据步骤1获得的每根弹簧伸长量Δ_i以及步骤2获得的每根弹簧承受的载荷P_i，结合柔性蒙皮内嵌骨架的结构形式及其计算公式，确定柔性骨架中的每根弹簧的相关参数

优选地是，所述可变形Bump进气道的柔性蒙皮变形范围的气压在0.5～1.5倍当地的大气压之间。

优选地是，所述柔性蒙皮变形前的形状为光顺封闭凸曲线形，其变形后的形状为光顺凸曲面冠形。

优选地是，所述可变形Bump进气道腔体与柔性蒙皮之间采用如下步骤连接：

在进气道腔体四周面板上制作第一环状条形槽，用于安装和固定圆柱状的连接销钉；

在进气道压盖四周边缘制作与腔体槽对应的第一环状条形槽，用于压紧圆柱状的连接销钉；

将圆柱状的连接销钉穿过柔性骨架中对应的圆孔，以完成安装。

优选地是，所述可变形Bump进气道腔体与柔性蒙皮之间采用如下步骤密封：

在进气道腔体四周面板上制作第二环状条形槽，并在进气道压盖四周边缘制作与腔体槽对应的第二环状条形槽，该第二环状条形槽用于安装和固定密封条带，其中该第二环状条形槽位于第一环状条形槽内环一侧；

将密封条带与柔性蒙皮压紧，以完成密封操作。

通过本申请的可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法实现可变形Bump进气道功能的同时，有效地解决轻量化可变形Bump进气道的难点，并应用在变体飞机方面，使变体飞机具有更大的飞行空间和更良好的飞行性能成为可能，也可以扩展传统飞行器的任务和综合作战效能。

附图说明

图1为本发明一实施例的气压驱动柔性进气道原理样机变性前的示意图；图2为本发明一实施例的柔性骨架示意图；

图3为本发明一实施例的气压驱动柔性进气道原理样机变性后的示意图；图4为本发明一实施例中蒙皮取样示意图；

图5为本发明一实施例蒙皮鼓包截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法做进一步详细说明。

吸、充气式可变形Bump进气道的概念是指在传统的Bump进气道的基础上，应用柔性蒙皮和通过吸、充气驱动方式来实现Bump进气道的形状改变，即：Bump进气道具有可变形的能力，从而形成新一代的Bump进气道，详见图1。

本发明的吸、充气式可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法，包括如下步骤(结合图2所示)。

步骤1：依据可变形Bump进气道变形前、后的两种形状，具体参见图1和图3，对应给出其柔性蒙皮变形范围里的两种形状，利用柔性蒙皮变形改变量确定内嵌柔性骨架中每根弹簧对应的伸长量Δ_i，这里(i＝1，...，M+N)，M和N分别表示纵横方向的弹簧数量。

步骤2：依据可变形Bump进气道吸充气气囊内外压差ΔP，计算出柔性骨架承担的载荷，由此计算出柔性骨架中任何一根弹簧承受的载荷P_i(i＝1，...，M+N)，M和N分别表示纵横方向的弹簧数量。

步骤3：根据步骤1获得的每根弹簧伸长量Δ_i(i＝1，...，M+N)以及步骤2获得的每根弹簧承受的载荷P_i(i＝1，...，M+N)，这里M和N分别表示纵横方向的弹簧数量，结合柔性蒙皮内嵌骨架的结构形式及其计算公式，从而能够确定柔性骨架中的每根弹簧的一组相关参数

步骤4：依据得到的

能够给出所需的设计方案。

需要说明的是，该种可变形Bump进气道腔体与柔性蒙皮之间采用如下步骤连接：1)在进气道腔体四周面板上制作第一环状条形槽，用于安装和固定圆柱状的连接销钉；2)在进气道压盖四周边缘制作与腔体槽对应的第一环状条形槽，用于压紧圆柱状的连接销钉；3)将圆柱状的连接销钉穿过柔性骨架中对应的圆孔，以完成安装。同时该种可变形Bump进气道腔体与柔性蒙皮之间采用如下步骤密封：1)在进气道腔体四周面板上制作第二环状条形槽，并在进气道压盖四周边缘制作与腔体槽对应的第二环状条形槽，该第二环状条形槽用于安装和固定密封条带，其中该第二环状条形槽位于第一环状条形槽内环一侧；2)将密封条带与柔性蒙皮压紧，以完成密封操作。

需要说明的是，未来超声速飞行器在整个飞行包线中，可变形Bump进气道的柔性蒙皮变形鼓包范围的气压选择在0.5～1.5倍当地的大气压之间，其中，数值小于1表示吸力，数值大于1表示压力。

需要说明的是，在方案筛选阶段，针对飞机的种类和进气道几何尺寸的不同，吸、充气的气囊内外压差ΔP可以在一定范围取值。例如：0.1～0.5倍当地的大气压之间。

下面以具体数例进一步说明。

建立柔性蒙皮模型(如图4和图5所示)，该鼓包曲面约束圆直径900mm，在鼓包曲面上纵横方向各均匀取20条带(宽度45mm)进行分析计算(注：图4与图5中纵横方向上的条带简略画为5条)。根据结构对称性，取纵横方向之一截面如图5。圆形柔性蒙皮鼓包鼓起形状为光顺凸曲面冠形，因变形前柔性蒙皮可变形部分为光顺封闭凸曲线形，四周可以简化为铰支约束，所以充气加压后，约束圆穿过鼓包球面，直径成为弦长。按照前述提供的计算步骤得到的有关的结果如表1所示，采用外切基单元型式形成的柔性骨架和计算公式：

其中，U_hv(N)表示整个柔性结构的纵横方向的变形量；N表示正方形的柔性结构的每一边所具有外切单元的个数；n表示外切单元中扭簧的圈数；F表示柔性结构承受的面内纵横方向的总载荷，并有F＝N*P；P表示外切单元承受的外载荷；D表示外切单元中扭簧的直径；d表示外切单元中扭簧丝的直径；E表示柔性结构材料的杨氏模量。

表1单元数量20个和内压0.1个大气压对应的结果

由表1可知密封充气后的蒙皮的鼓起程度主要取决于内部气压值、蒙皮面内刚度和蒙皮初始形状大小。由此表还可得到给定蒙皮内嵌骨架参数，鼓包蒙皮鼓起位移与内部充气气压的对应关系，以及蒙皮内部受力和外部约束力的关系。针对柔性蒙皮的力学特性要求，以外切单元组成的条带为基准，调整外切单元的钢丝直径、圆环直径和对应的圈数，使之获得所需的变形量，就能够获得柔性骨架所期望的载荷与变形率的关系，从而满足自适应结构中柔性蒙皮的需求。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：依据可变形Bump进气道变形前、后的两种形状，对应给出其柔性蒙皮变形范围里的两种形状，利用柔性蒙皮变形改变量确定内嵌柔性骨架中每根弹簧对应的伸长量Δ_i；

步骤2：依据可变形Bump进气道吸充气气囊内外压差ΔP，计算出柔性骨架承担的载荷，再计算出柔性骨架中任何一根弹簧承受的载荷P_i；

步骤3：根据步骤1获得的每根弹簧伸长量Δ_i以及步骤2获得的每根弹簧承受的载荷P_i，结合柔性蒙皮内嵌骨架的结构形式及其计算公式，确定柔性骨架中的每根弹簧的相关参数

具体如下；

其中，

U_hv(N)表示整个柔性结构的纵横方向的变形量；

N表示正方形的柔性结构的每一边所具有外切单元的个数；

n表示外切单元中扭簧的圈数；F表示柔性结构承受的面内纵横方向的总载荷，并有F＝N*P；P表示外切单元承受的外载荷；

D表示外切单元中扭簧的直径；

d表示外切单元中扭簧丝的直径；

E表示柔性结构材料的杨氏模量。

2.如权利要求1所述的可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法，其特征在于，所述可变形Bump进气道的柔性蒙皮变形范围的气压在0.5～1.5倍当地的大气压之间。

3.如权利要求2所述的可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法，其特征在于，所述柔性蒙皮变形前的形状为光顺封闭凸曲线形，其变形后的形状为光顺凸曲面冠形。

4.如权利要求3所述的可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法，其特征在于，所述可变形Bump进气道腔体与柔性蒙皮之间采用如下步骤连接：

在进气道腔体四周面板上制作第一环状条形槽，用于安装和固定圆柱状的连接销钉；

在进气道压盖四周边缘制作与腔体槽对应的第一环状条形槽，用于压紧圆柱状的连接销钉；

将圆柱状的连接销钉穿过柔性骨架中对应的圆孔，以完成安装。

5.如权利要求4所述的可变形Bump进气道的柔性蒙皮内嵌骨架参数确定方法，其特征在于，所述可变形Bump进气道腔体与柔性蒙皮之间采用如下步骤密封：

在进气道腔体四周面板上制作第二环状条形槽，并在进气道压盖四周边缘制作与腔体槽对应的第二环状条形槽，该第二环状条形槽用于安装和固定密封条带，其中该第二环状条形槽位于第一环状条形槽内环一侧；

将密封条带与柔性蒙皮压紧，以完成密封操作。

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