CN112537438B - 一种基于单元结构的柔性蒙皮 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞机结构设计领域，具体涉及一种基于单元结构的柔性蒙皮。本发明提出一种基于先进飞行器变体结构和柔性结构等运动部位使用需求的柔性蒙皮技术，满足飞行器飞行过程中实现变体的气动受载、大变形、表面质量等综合性能要求。

Description

一种基于单元结构的柔性蒙皮
技术领域
本发明属于飞机结构设计领域，具体涉及一种基于单元结构的柔性蒙皮。
背景技术
下一代飞行器平台从常规、固定结构逐渐向非常规、非定向、可变飞行模态方向发展，从追求单一气动性能向气动-结构-隐身-控制一体化方向发展。目前大多数先进战斗机的设计方案采用了是可变机翼，如折叠翼、变后掠翼，无垂尾或可变折叠尾翼、自适应前后缘及翼身融合体等非常规布局。为了缩短起降距离、兼顾高速出击与低速巡航待机，达到多个设计点性能最优，可变构型的布局形式已成为极具潜力的方案。
国内外变体技术领域多年的研究表明，以机械驱动的刚性变体机构由于重量、复杂性、体积的增加所付出的代价大大降低了气动效率方面的收益，从而限制了进一步的深入研究和应用。现在对于变体技术的研究者们不仅仅局限于某个刚性的机翼部件角度或者位置的改变，而是包含了柔性的、无缝隙的、光滑连续的通过形状变化提高飞行器气动效率等内涵。
变体飞机的研究中，柔性蒙皮设计技术是变体方案实现的瓶颈。柔性蒙皮在承受飞机气动载荷的同时，蒙皮面内能够实现较大变形，从而满足变体飞机的设计要求。目前国内外变体技术的研究主要集中在智能材料和机翼结构设计上，对于柔性蒙皮设计的研究很少。
早期飞机的机翼蒙皮即是采用的纤维材料，但随着飞行速度的增加，气动载荷也增大，需要刚性和稳定性更好的材料。现在飞机蒙皮主要用的材料是刚性的金属面板(如铝合金)，高强高模的玻璃纤维或碳纤维/环氧增强的复合材料用量也在逐步增加。面板一般用加强筋进行增强，蒙皮由弦向的肋和展向的梁提供支撑。从传载的角度来看，将现在刚性好、强度高的刚性蒙皮替换为柔性蒙皮，其难度可想而知。
发明内容
发明目的：提出一种基于先进飞行器变体结构和柔性结构等运动部位使用需求的柔性蒙皮技术，满足飞行器飞行过程中实现变体的气动受载、大变形、表面质量等综合性能要求。
技术方案：提供一种基于单元结构的柔性蒙皮，所述柔性蒙皮包括上层微单元结构1、下层微单元结构2、多个依次连接的可折叠的柔性单元3和L型接口单元4；
所述柔性单元3位于上层微单元结构1、下层微单元结构2之间；所述上层微单元结构1、下层微单元结构2为板状结构；
柔性蒙皮处于拉伸状态时，所述柔性单元3的前后两个端面为正方形，所述柔性单元3为六面体结构，所述六面体为长方体或正方体；柔性蒙皮处于初始状态时，所述柔性单元3为折叠状态，所述前后两个端面沿端面的斜十字折痕向靠近六面体的内部折叠，上下两个端面沿六面体的竖直对称线向靠近六面体的中线折叠；
多个依次连接的可折叠的柔性单元3的两端与L型接口单元4连接。
可选地，所述上层微单元结构1、下层微单元结构2为波纹板结构。
可选地，所述上层微单元结构1、下层微单元结构2为锯齿形结构。
可选地，上层微单元结构1、下层微单元结构2的高度小于1mm。
可选地，相邻柔性单元3的接触端面为共用的一个端面。
可选地，L型接口单元、上层微单元结构1、下层微单元结构2和多个依次连接的可折叠的柔性单元3为一体成型结构。
可选地，所述柔性单元3的折痕为柔性连接件。
可选地，所述柔性连接件为柔性胶体。
可选地，L型接口单元、上层微单元结构1、下层微单元结构2和多个依次连接的可折叠的柔性单元3为超弹钛合金材料。
有益效果：基于单元结构的柔性蒙皮面内受力方向具有大变形，垂直受力方向不变形且六面体单元结构的弯曲刚度能够承受的法向气动载荷，柔性蒙皮整体实现大变形、高承载、零泊松比的性能；基于单元结构的柔性蒙皮的折叠原理从理论上具有很大的变形量。
附图说明
图1为基于单元结构的柔性蒙皮结构示意图；
图2为可折叠单元结构折叠过程原理示意图；
图3为基于单元结构的柔性蒙皮的应用部位示意图；
图4为基于单元结构的柔性蒙皮表面处理示意图；
图5为基于单元结构的柔性蒙皮表层A区域的结构放大图。
具体实施方式
一种基于单元结构的柔性蒙皮，用于先进飞行器变体结构和柔性结构等活动部位，通过柔性蒙皮自身的弹性和刚度，满足飞行器在飞行环境下承载能力和变体过程中机体外形的光滑连续，从而实现飞行器性能在运动过程的多个设计点的综合性能最优。通过一种可产生大变形的单元结构，及不同尺度单元结构组合的形式，同时实现面内大变形和法向高承载、良好表面质量等多种性能需求。通过单元结构参数、单元组合形式、单元成形与材料分布的综合设计优化，可实现不同变形量和法向刚度要求的柔性蒙皮方案，满足飞行器在变体结构、自适应控制面等部位的应用需求。
本实施例，提供一种基于单元结构的柔性蒙皮，用于先进飞行器的襟翼、副翼等舵面位置的气动封严，满足飞行器舵面在偏转过程中、状态保持的外形光滑连续要求，如图1所示；其中，图1中左侧为柔性蒙皮的初始状态，右侧附图为拉伸状态。
图3为基于单元结构的柔性蒙皮的应用部位示意图，结合图3所示，提供一种基于单元结构的柔性蒙皮，所述柔性蒙皮包括L型接口单元4、上层微单元结构1、下层微单元结构2和多个依次连接的可折叠的柔性单元3。所述柔性单元3位于上层微单元结构1、下层微单元结构2之间；所述上层微单元结构1、下层微单元结构2为板状结构。多个依次连接的可折叠的柔性单元3的两端与L型接口单元连接。
结合图1和图2，柔性蒙皮处于拉伸状态时，所述柔性单元3的前后两个端面为正方形，所述柔性单元3为六面体结构，所述六面体为长方体或正方体；柔性蒙皮处于初始状态时，所述柔性单元3为折叠状态，所述前后两个端面沿端面的斜十字折痕向靠近六面体的内部折叠，上下两个端面沿六面体的竖直对称线向靠近六面体的中线折叠。相邻柔性单元3的接触端面为共用的一个端面。
通过控制左右两个侧面距离的大小，实现折叠的效果。六面体前后侧面的距离可根据承载的刚度要求进行合理的布置。
本实施例，图3所示，为基于单元结构的柔性蒙皮通过L型接口单元分别与主翼面和舵面进行连接，L型接口单元为金属结构，厚度一般3～5mm。接口之间为柔性蒙皮的柔性单元阵列，布置了依次连接的柔性单元。根据飞行器结构内部空间情况，设计柔性蒙皮的厚度一般不超过20mm。
本实施例，基于单元结构的柔性蒙皮以折叠位置为初始状态，在施加面内拉伸载荷时，柔性蒙皮的单元结构阵列产生相应的变形逐渐展开为六面体，完全展开成六面体时为最大变形状态。撤销拉伸载荷时，由单元结构本身的弹性恢复至初始状态。
本实施例，基于单元结构的柔性蒙皮在施加法向气动载荷时，蒙皮因面积小，所受的整体载荷也较小。在由折叠状态逐步展开的过程中，蒙皮面积增加，所受的整体载荷也增加。单元结构从折叠状态过渡至六面体状态，柔性蒙皮整体的受力形式与气动载荷的增加自适应。
进一步地，结合图4、图5所示，所述上层微单元结构1、下层微单元结构2为波纹板结构。或者，所述上层微单元结构1、下层微单元结构2为锯齿形结构。本实施例，上层微单元结构1、下层微单元结构2的高度小于1mm；上层微单元结构1、下层微单元结构2的波纹结构或锯齿结构在成形工艺运行的情况下尽可能小，一般控制在1毫米以内，如图5所示；以满足光滑连续的表面质量要求，且不影响飞行器的气动性能。
进一步地，L型接口单元、上层微单元结构1、下层微单元结构2和多个依次连接的可折叠的柔性单元3为一体成型结构。
本实施例，基于单元结构的柔性蒙皮由先进增材制造技术4D打印技术成形。六面体单元结构主体和微单元结构为金属材料，可折叠折痕位置由高韧的柔性材料构成，两者之间的结合原理类似肌肉与骨骼之间的结合，通过先进增材制造技术实现可大变形、高强度、高疲劳性能。具体地，可折叠折痕位置由柔性胶体构成。
此外，L型接口单元、上层微单元结构1、下层微单元结构2和多个依次连接的可折叠的柔性单元3为超弹钛合金材料。

Claims (9)

1.一种基于单元结构的柔性蒙皮，其特征在于，所述柔性蒙皮包括L型接口单元、上层微单元结构(1)、下层微单元结构(2)和多个依次连接的可折叠的柔性单元(3)；
所述柔性单元(3)位于上层微单元结构(1)、下层微单元结构(2)之间；所述上层微单元结构(1)、下层微单元结构(2)为板状结构；
柔性蒙皮处于拉伸状态时，所述柔性单元(3)的前后两个端面为正方形，所述柔性单元(3)为六面体结构，所述六面体为长方体或正方体；柔性蒙皮处于初始状态时，所述柔性单元(3)为折叠状态，所述前后两个端面沿端面的斜十字折痕向靠近六面体的内部折叠，上下两个端面沿六面体的竖直对称线向靠近六面体的中线折叠；
多个依次连接的可折叠的柔性单元(3)的两端与L型接口单元连接。
2.根据权利要求1所述的基于单元结构的柔性蒙皮，其特征在于，所述上层微单元结构(1)、下层微单元结构(2)为波纹板结构。
3.根据权利要求1所述的基于单元结构的柔性蒙皮，其特征在于，所述上层微单元结构(1)、下层微单元结构(2)为锯齿形结构。
4.根据权利要求2或3所述的基于单元结构的柔性蒙皮，其特征在于，上层微单元结构(1)、下层微单元结构(2)的高度小于1mm。
5.根据权利要求1所述的基于单元结构的柔性蒙皮，其特征在于，相邻柔性单元(3)的接触端面为共用的一个端面。
6.根据权利要求1所述的基于单元结构的柔性蒙皮，其特征在于，L型接口单元、上层微单元结构(1)、下层微单元结构(2)和多个依次连接的可折叠的柔性单元(3)为一体成型结构。
7.根据权利要求1所述的基于单元结构的柔性蒙皮，其特征在于，所述柔性单元(3)的折痕为柔性连接件。
8.根据权利要求7所述的基于单元结构的柔性蒙皮，其特征在于，所述柔性连接件为柔性胶体。
9.根据权利要求1所述的基于单元结构的柔性蒙皮，其特征在于，L型接口单元、上层微单元结构(1)、下层微单元结构(2)和多个依次连接的可折叠的柔性单元(3)为超弹钛合金材料。
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