本文關(guān)鍵詞：基于SMPC蒙皮和主動蜂窩結(jié)構(gòu)的可變形機翼結(jié)構(gòu)研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：可變形飛行器可以具有更短的起降距離,更少的燃油消耗,更遠的巡航距離,更高的升限,機翼可變形技術(shù)是提高飛行器綜合性能的變革性技術(shù),對飛機的發(fā)展具有重要意義。但是,限制可變形飛行器發(fā)展的一個關(guān)鍵因素是輕質(zhì)、變形/承載一體化的材料和結(jié)構(gòu),采用傳統(tǒng)的材料和結(jié)構(gòu)研制的可變形飛行器具有重量大、機構(gòu)復(fù)雜、維修費用高等缺點。實現(xiàn)可變形飛行器結(jié)構(gòu)的主要關(guān)鍵技術(shù)包括:變形/承載一體化蒙皮技術(shù)、高能量密度驅(qū)動器技術(shù)、自適應(yīng)變形結(jié)構(gòu)技術(shù)等。新型智能材料和結(jié)構(gòu)具有變形大、能量密度高、自驅(qū)動、自感知等特點,為可變形飛行器的發(fā)展提供了材料基礎(chǔ)。為了解決可變形飛行器的關(guān)鍵技術(shù)問題,本文提出了一種新材料作為變形/承載一體化蒙皮結(jié)構(gòu),提出了兩種新結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動/結(jié)構(gòu)一體化自適應(yīng)結(jié)構(gòu),并通過三種新應(yīng)用驗證其可行性�？勺冃蚊善そY(jié)構(gòu)需要隨變形結(jié)構(gòu)而變形,這就要求其具有較低的變形剛度,而在飛行過程中,飛機蒙皮又要具有足夠的剛度以承受氣動載荷,為了解決這一矛盾問題,本文提出了一種采用變剛度材料(形狀記憶聚合物)來設(shè)計可變形蒙皮的方案。該材料在低溫時剛度較高(呈玻璃態(tài)),可以承受氣動載荷;而在高溫時剛度大幅降低(呈橡膠態(tài)),可以實現(xiàn)變形。本文針對熱固性苯乙烯基形狀記憶聚合物樹脂低溫韌性差、不抗撕裂等問題,提出了采用彈性纖維增強形狀記憶聚合物的力學性能,制備了不同纖維含量的彈性纖維增強的形狀記憶復(fù)合材料,并進行了動態(tài)力學性能分析、高低溫力學性能分析、熱響應(yīng)分析等。結(jié)果證明,彈性纖維增強了形狀記憶聚合物在低溫情況下的韌性,增強了其在高溫情況下的彈性模量和強度,大大增強了純形狀記憶聚合物材料的抗撕裂性能,提高了形狀記憶聚合物在使用過程中的安全性和可靠性。本文將形狀記憶復(fù)合材料蒙皮應(yīng)用于一個可變彎度后緣機翼模型上,在滿足變形條件的同時,形狀記憶復(fù)合材料蒙皮是否能夠滿足氣動承載要求是本文關(guān)注的重點。通過CFD仿真分析,獲得機翼表面的靜壓分布,并將其加載在蒙皮表面,獲得其面外變形數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,10mm厚的形狀記憶復(fù)合材料蒙皮在玻璃態(tài)時,可以滿足可變形飛行器在M0.6的高速情況下飛行,而在橡膠態(tài)時也可以滿足在M0.1的低速飛行條件。對于一個可變形飛行器而言,可以讓其在低速時變軟以改變機翼形狀,蒙皮變硬后再進行高速飛行,驗證了形狀記憶復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)應(yīng)用的可行性。根據(jù)可變形飛行器對輕質(zhì)驅(qū)動器和變形結(jié)構(gòu)的需求,本文提出了采用氣動柔性管驅(qū)動的主動蜂窩結(jié)構(gòu)。第一類方案是將氣動柔性管平鋪式布置于兩組蜂窩之間來改變蜂窩組之間的距離,并將其用于變厚度機翼結(jié)構(gòu)中;第二類方案是將氣動柔性管插入蜂窩內(nèi)部來改變蜂窩夾角,將其用于變翼尖機翼結(jié)構(gòu)上。針對第一類方案,分別提出了將氣動柔性管沿展長方向和沿弦長方向鋪設(shè)兩種方法,建立了氣動柔性管變形與機翼厚度變化的幾何模型,通過力學分析,構(gòu)建了不同負載條件下氣動柔性管內(nèi)的輸入壓強與主動蜂窩結(jié)構(gòu)之間的方程,制備了氣動柔性管驅(qū)動主動蜂窩結(jié)構(gòu)的典型樣件,并通過實驗驗證了理論分析結(jié)果,分別研制了沿展長方式和沿弦長方式鋪設(shè)氣動柔性管驅(qū)動機翼厚度變化的機翼模型,演示了其未來用于可變形飛行器的可行性。針對第二類方案,將兩個氣動柔性管插入內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)中,通過充氣改變蜂窩之間的夾角使其主動變形,建立了此種主動蜂窩結(jié)構(gòu)的幾何模型和能量模型,給出了系統(tǒng)的輸入壓強與輸出位移之間的關(guān)系式,分別通過線彈性模型和超彈性模型對變形結(jié)構(gòu)進行了分析與預(yù)測,最后通過實驗與理論模型和有限元模型進行對比分析,實驗分析了主動蜂窩結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載情況下的滯回現(xiàn)象和能量消耗情況。利用此主動蜂窩結(jié)構(gòu)和形狀記憶復(fù)合材料蒙皮設(shè)計了一種變翼尖機翼結(jié)構(gòu),建立了變翼尖結(jié)構(gòu)的輸入氣壓與翼尖角度之間的關(guān)系,并進行了實驗驗證。彈性纖維增強形狀記憶復(fù)合材料蒙皮覆蓋在翼尖折疊拐角處,使機翼在變形過程中光滑連續(xù),并且能夠鎖定機翼形狀,演示機翼模型驗證了該變形概念有潛力用于未來的飛行器的變翼尖結(jié)構(gòu)上。
[Abstract]:In order to solve this problem , this paper proposes a kind of new material and structure , which has the characteristics of large deformation , high energy density , self - driving , self - sensing and so on . This paper presents a geometric model and energy model of pneumatic flexible pipe driven by pneumatic flexible pipe . The relationship between the input pressure of pneumatic flexible pipe and active honeycomb structure is analyzed . The relationship between the input pressure and the wing tip angle of the pneumatic flexible pipe is established .

【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V214;V224

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本文編號：1429636