本文關(guān)鍵詞：基于氣動肌肉纖維的主動變形蒙皮結(jié)構(gòu)性能研究

  更多相關(guān)文章： 變體飛行器 氣動肌肉纖維 主動變形蒙皮 變剛度 自適應(yīng)機(jī)翼

【摘要】：變體飛行器中變體的概念是指連續(xù)的形狀變化,即為變形過程中沒有產(chǎn)生離散的部分和相對于母體之間的移動。這樣就意味著變體飛行器可以根據(jù)飛行任務(wù)和飛行條件的改變而進(jìn)行變形,從而可以避免傳統(tǒng)飛行器可能面臨的空氣動力學(xué)失效、較大噪音、震顫以及飛行效率低的問題。對于變體飛行器,蒙皮作為氣動整流罩首先需要承載氣動載荷,同時還能夠與變體結(jié)構(gòu)協(xié)同變形。通常把能夠在變形過程中保持連續(xù)形狀變化的結(jié)構(gòu)稱為主動變形結(jié)構(gòu)。對于主動變形蒙皮有更為嚴(yán)格的定義,即為蒙皮不僅能夠與與變體結(jié)構(gòu)協(xié)同變形,而且蒙皮可以在外界條件激勵下驅(qū)動自身的變形甚至是變體結(jié)構(gòu)的變形。也就是說主動變形蒙皮是驅(qū)動器、變形結(jié)構(gòu)和氣動載荷承擔(dān)者的集成。正是在這樣的背景下,針對變體飛行器機(jī)翼對于蒙皮的要求,本文提出一種基于氣動肌肉纖維(Pneumatic Muscle Fiber)的主動變形蒙皮結(jié)構(gòu)。主要圍繞氣動肌肉纖維及其蒙皮的主動變形和變剛度性能開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究、理論分析。首先開展了氣動肌肉纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能測試;然后開展了氣動肌肉纖維的剛度和變剛度特性研究;隨后對氣動肌肉纖維主動變形蒙皮的性能進(jìn)行了研究;最后用氣動肌肉纖維主動變形蒙皮驅(qū)動自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu),對其變形行為進(jìn)行了研究。從制作氣動肌肉纖維的基本素材方面(包括氣動肌肉纖維的氣囊、可伸縮的編織網(wǎng)套和氣動密封材料)對氣動肌肉纖維進(jìn)行了改良。對氣動肌肉纖維的兩端結(jié)構(gòu)(包含氣動通氣端連接件和非氣動密封端連接件)進(jìn)行了小型化和可實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接化的改進(jìn)設(shè)計(jì)和研制。這部分工作是研制氣動肌肉纖維主動變形蒙皮以及將其應(yīng)用于自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。建立了氣動肌肉纖維的非線性準(zhǔn)靜態(tài)模型,也就是氣動肌肉纖維在氣壓激勵下的剛度分析方程,用以揭示其輸出力與位移之間的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)對建立的氣動肌肉纖維的剛度方程進(jìn)行了驗(yàn)證。又進(jìn)一步研究了在不同氣壓條件下以及不同位移條件下氣動肌肉纖維的變剛度特性。最后提出了一種氣動肌肉纖維圓形陣列排布結(jié)構(gòu),開展了其變剛度特性的研究工作。此結(jié)構(gòu)由圓形陣列排布的16個氣動肌肉纖維和具有16個可滑動軌道的圓形支撐結(jié)構(gòu)組成。通過分別控制16個氣動肌肉纖維的激勵氣壓和其在滑軌中的位移,此結(jié)構(gòu)的剛度可以靈活的在很寬的區(qū)間內(nèi)變化,此結(jié)構(gòu)的剛度變化可以達(dá)到357%,而且具備局部變剛度的特性。將氣動肌肉纖維嵌入軟材料(硅橡膠類超彈體)基體中制成形狀自適應(yīng)的蒙皮結(jié)構(gòu)。與以往大部分變形蒙皮不同的是:氣動肌肉纖維主動變形蒙皮不僅是可實(shí)現(xiàn)收縮和彎曲變形的自適應(yīng)結(jié)構(gòu),其自身也是驅(qū)動器。本文建立了氣動肌肉纖維主動變形蒙皮的理論模型用以研究其輸出力與位移之間的關(guān)系。所建立的理論模型的基礎(chǔ)模型為第三章中建立的氣動肌肉纖維剛度模型,提出了用以描述主動變形蒙皮在氣動肌肉纖維做功過程中輸出力損耗的修正項(xiàng)。在對嵌入1個氣動肌肉纖維主動變形蒙皮理論模型的修正項(xiàng)研究基礎(chǔ)上,將其推廣應(yīng)用到嵌入多個氣動肌肉纖維的主動變形蒙皮中。本文設(shè)計(jì)、制作和測試了3種主動變形蒙皮結(jié)構(gòu),這3種結(jié)構(gòu)分別嵌入1、2和4個氣動肌肉纖維。通過實(shí)驗(yàn)對建立的理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證。最后提出了基于氣動肌肉纖維的形狀自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。通過分別激勵不同組合的氣動肌肉纖維,此形狀自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多自由度變形。設(shè)計(jì)和研制了可主動變形、可連續(xù)變翼型的自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)。此自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)中氣動肌肉纖維主動變形蒙皮作為下表面蒙皮,驅(qū)動自身和自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形。對此自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的主動變形行為開展了研究,采用有限元分析中的幾何大變形分析方法,得到了自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的靜態(tài)變形翼型。同時采用三維非接觸式激光測量方法,將實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對比。這樣通過對自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)變形行為的研究,得到了自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)在變形過程中的靜態(tài)變形翼型。當(dāng)氣動肌肉纖維主動變形蒙皮的激勵氣壓為0.3MPa時,自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)后緣的豎向位移達(dá)到38.2mm,自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的彎曲角度達(dá)到8.68°。
【關(guān)鍵詞】：變體飛行器 氣動肌肉纖維 主動變形蒙皮 變剛度 自適應(yīng)機(jī)翼
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V214
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-39
• 1.1 研究背景及意義14-15
• 1.2 變體飛行器研究現(xiàn)狀15-26
• 1.2.1 面內(nèi)變形17-22
• 1.2.2 面外變形22-24
• 1.2.3 翼型自適應(yīng)變形24-26
• 1.3 柔性變形蒙皮研究現(xiàn)狀26-34
• 1.3.1 軟材料蒙皮27
• 1.3.2 變剛度蒙皮27-34
• 1.4 氣動肌肉與氣動肌肉纖維的研究進(jìn)展34-37
• 1.4.1 氣動肌肉的研究進(jìn)展34-35
• 1.4.2 氣動肌肉纖維的研究進(jìn)展35-37
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容37-39
• 第2章 氣動肌肉纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析39-53
• 2.1 引言39
• 2.2 氣囊材料對氣動肌肉纖維性能的影響39-42
• 2.2.1 三種不同氣囊的氣動肌肉纖維的制作39-40
• 2.2.2 氣動肌肉纖維的測試與分析40-42
• 2.3 氣動肌肉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析42-49
• 2.3.1 氣動肌肉的制作42-43
• 2.3.2 氣動肌肉的測試與分析43-49
• 2.4 改進(jìn)型氣動肌肉纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)49-51
• 2.4.1 素材選取49
• 2.4.2 氣動肌肉纖維的改進(jìn)49-51
• 2.5 本章小結(jié)51-53
• 第3章 氣動肌肉纖維的剛度和變剛度特性研究53-70
• 3.1 引言53
• 3.2 氣動肌肉纖維的非線性準(zhǔn)靜態(tài)剛度方程53-61
• 3.2.1 氣動肌肉纖維剛度方程的描述53-55
• 3.2.2 氣囊的幾何構(gòu)型55-57
• 3.2.3 應(yīng)力分量的求解57-59
• 3.2.4 氣動肌肉纖維剛度方程的建立59-61
• 3.3 氣動肌肉纖維實(shí)驗(yàn)測試與分析61-64
• 3.3.1 氣動肌肉纖維剛度方程參數(shù)的確定61
• 3.3.2 氣動肌肉纖維實(shí)驗(yàn)測試與分析61-63
• 3.3.3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與理論模型計(jì)算結(jié)果的對比分析63-64
• 3.4 氣動肌肉纖維的變剛度特性研究64-69
• 3.4.1 氣動肌肉纖維變剛度特性64-66
• 3.4.2 氣動肌肉纖維圓形陣列結(jié)構(gòu)的變剛度特性66-69
• 3.5 本章小結(jié)69-70
• 第4章 氣動肌肉纖維主動變形蒙皮結(jié)構(gòu)的性能研究70-91
• 4.1 引言70
• 4.2 氣動肌肉纖維主動變形蒙皮輸出力與位移關(guān)系的理論模型70-86
• 4.2.1 氣動肌肉纖維主動變形蒙皮70-73
• 4.2.2 氣動肌肉纖維主動變形蒙皮的實(shí)驗(yàn)測試與分析73-76
• 4.2.3 理論模型76-78
• 4.2.4 理論模型中參數(shù)確定以及模型驗(yàn)證78-86
• 4.3 基于氣動肌肉纖維的形狀自適應(yīng)結(jié)構(gòu)86-89
• 4.3.1 形狀自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)86-87
• 4.3.2 形狀自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的多自由度變形87-89
• 4.4 本章小結(jié)89-91
• 第5章 氣動肌肉纖維主動變形蒙皮驅(qū)動自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)91-106
• 5.1 引言91
• 5.2 自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研制91-98
• 5.2.1 自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)91-93
• 5.2.2 自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的研制93-98
• 5.3 自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)變形過程98-105
• 5.3.1 主動變形蒙皮驅(qū)動自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)變形98-99
• 5.3.2 自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)變形過程的三維非接觸式監(jiān)測與測量99-102
• 5.3.3 自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)幾何大變形階段的有限元分析102-103
• 5.3.4 自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)彎曲角度103-105
• 5.4 本章小結(jié)105-106
• 結(jié)論106-110
• 參考文獻(xiàn)110-124
• 攻讀博士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其它成果124-126
• 致謝126-128
• 個人簡歷128

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本文編號：647796