本文關(guān)鍵詞： 變體飛行器 變形蒙皮 自適應(yīng)支撐結(jié)構(gòu) 變剛度 波紋結(jié)構(gòu) 零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：傳統(tǒng)的飛行器一般是針對單一飛行狀態(tài)下氣動效率最優(yōu)的情況進(jìn)行設(shè)計的,無法做到在飛行包線的各個狀態(tài)都具有最佳的氣動效率。典型的飛行任務(wù)一般由幾個不同的操作環(huán)節(jié)組成,且飛行器往往需要完成多種組合任務(wù),普通的固定翼飛行器很難滿足飛行器對多任務(wù)執(zhí)行能力的需求。可變形飛行器是指可以根據(jù)不同的飛行環(huán)境對自身構(gòu)型進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,擁有較高的空氣動力特性,并在整個飛行包線內(nèi)具有最優(yōu)的氣動力特性和多任務(wù)執(zhí)行能力的一類新型飛行器,是未來飛行器的一個重要發(fā)展方向。機(jī)翼是飛行器能夠飛行的主要升力部件,是飛行器設(shè)計當(dāng)中需要重點考慮的部分。變形機(jī)翼是一個復(fù)雜而繁瑣的系統(tǒng),它包括變形蒙皮、自適應(yīng)支撐結(jié)構(gòu)、驅(qū)動器及其相關(guān)機(jī)構(gòu)。每個部分的設(shè)計和研制都需要在柔性、剛度和重量之間進(jìn)行權(quán)衡,既需要足夠的柔性來保證機(jī)翼的變形能力,又需要較大的剛度來保證變形機(jī)翼能夠承擔(dān)嚴(yán)苛的氣動荷載,還需要盡可能小的重量來減少變形飛行器的燃油消耗。針對可變形蒙皮、自適應(yīng)支撐結(jié)構(gòu)和高效能驅(qū)動方法等可變形機(jī)翼的重要組成部分所面臨的問題,本文提出了三種基于形狀記憶聚合物的變剛度可變形蒙皮、一種具有零泊松比效應(yīng)的蜂窩支撐結(jié)構(gòu)和這種零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)的氣壓驅(qū)動方法,并對提出的變形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的選擇和集成,設(shè)計并研制了一種變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)。變形蒙皮既需要有一定柔性來實現(xiàn)機(jī)翼的變形,同時又需要具有一定的剛性來承擔(dān)機(jī)翼的氣動荷載。為了滿足對變形和承載兩方面的需求,本文設(shè)計并研制了三種基于形狀記憶聚合物的變剛度變形蒙皮。首先,研制了一種電驅(qū)動形狀記憶聚合物變剛度蒙皮,并對其微觀形貌、力學(xué)性能、電導(dǎo)特性、形狀回復(fù)特性、加熱性能、可調(diào)溫度分布、溫度和應(yīng)變敏感特性等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究。研究表明,這種變形蒙皮可以在施加較低電壓時通過自身的焦耳熱實現(xiàn)均勻快速升溫,實現(xiàn)變形蒙皮的通過電-熱驅(qū)動的變剛度特性。此外,這種變形蒙皮還具有溫度和應(yīng)變自傳感、成本低和可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點,適合應(yīng)用于中小尺度變形機(jī)翼結(jié)構(gòu)。其次,考慮到變形蒙皮對較大尺度變形的需求,本文研制了波紋板變形結(jié)構(gòu),并對其力學(xué)性能進(jìn)行了理論分析、有限元數(shù)值分析和試驗測試。研究結(jié)果表明三者的分析結(jié)果有很好的一致性,波紋板變形結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的各項異性力學(xué)性能。波紋板橫向柔性好,容易實現(xiàn)大變形,波紋板縱剛度好,能夠有效承擔(dān)氣動荷載。針對波紋板變形結(jié)構(gòu)表面不光滑連續(xù)的缺點,本文提出并設(shè)計了一種基于波紋結(jié)構(gòu)和形狀記憶聚合物的變剛度波紋板變形蒙皮,即在波紋結(jié)構(gòu)的一側(cè)填充形狀記憶聚合物,使變形蒙皮具有光滑的氣動表面。對這種變剛度波紋板變形蒙皮的力學(xué)性能進(jìn)行理論建模和有限元模擬,分析結(jié)果吻合良好。研究結(jié)果表明變剛度波紋板變形蒙皮兼具波紋結(jié)構(gòu)優(yōu)良的各向異性和形狀記憶聚合物的變剛度特性。最后,將電驅(qū)動形狀記憶聚合物蒙皮和波紋板變形蒙皮進(jìn)行集成,設(shè)計并研制了一種電驅(qū)動變剛度波紋板變形蒙皮,并對這種變形蒙皮的力學(xué)性能和電加熱性能進(jìn)行了試驗研究。研究結(jié)果表明這種變形蒙皮可以具有波紋板優(yōu)良的各向異性力學(xué)性能和大變形能力,同時可以通過其自身電阻產(chǎn)生的焦耳熱實現(xiàn)蒙皮的變剛度特性。為了給變形機(jī)翼提供自適應(yīng)支撐結(jié)構(gòu),本文提出了一種四角星形零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)。此蜂窩結(jié)構(gòu)可在兩個垂直方向上變形,并在變形過程中保持蜂窩結(jié)構(gòu)的邊界光滑性和零泊松比特性。得益于其零泊松比特性,此蜂窩結(jié)構(gòu)在一個方向上變形時,不會因非變形方向的約束而引起等效模量的增加;同時,此零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)可以避免正/負(fù)泊松比蜂窩在承受彎曲時出現(xiàn)翹曲(正泊松比蜂窩表現(xiàn)為馬鞍形,負(fù)泊松比蜂窩表現(xiàn)為雙曲形)的問題。對此零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了理論分析、有限元數(shù)值分析和試驗測試,三種分析結(jié)果吻合良好,充分驗證了理論分析模型和有限元模擬的準(zhǔn)確性,證明可以應(yīng)用所建立的理論模型和有限元模擬方法對零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測�；诶碚撃Ｐ途C合分析了胞元幾何尺寸和蜂窩厚度對力學(xué)性能的影響,為此蜂窩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。為了解決蜂窩結(jié)構(gòu)的智能驅(qū)動方式問題,本文設(shè)計了零泊松比蜂窩的氣壓驅(qū)動方法,即在蜂窩結(jié)構(gòu)的內(nèi)部布置充氣單元,通過調(diào)節(jié)充氣單元的氣壓來實現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)的主動變形。針對主動變形蜂窩結(jié)構(gòu)的驅(qū)動性能,分別對變形蜂窩的變形位移、驅(qū)動力和等效彈性模量等進(jìn)行理論分析,并應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法驗證理論分析的準(zhǔn)確性。基于理論模型綜合分析了胞元幾何尺寸對主動變形零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,為主動變形零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。針對傳統(tǒng)變彎度機(jī)翼不能實現(xiàn)機(jī)翼光滑連續(xù)變形的缺點,本文研制了一種新型變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)。該變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)主要由電驅(qū)動變剛度波紋板變形蒙皮和主動變形零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)成,可以實現(xiàn)機(jī)翼后緣彎度的光滑連續(xù)變形。針對提出的變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu),采用有限元數(shù)值模擬的方法對其變形過程進(jìn)行研究,得到了變彎度機(jī)翼后緣偏轉(zhuǎn)位移與輸入氣壓的關(guān)系,主動變形蜂窩結(jié)構(gòu)以及變形蒙皮的變形位移和應(yīng)力應(yīng)變分布;為驗證有限元數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,研制了變彎度機(jī)翼樣件并對其進(jìn)行了地面試驗,分別測試了變彎度機(jī)翼的后緣位移偏移量和變形蒙皮的等效應(yīng)變分布。測試結(jié)果與有限元數(shù)值模擬的結(jié)果吻合較好。最后研究了機(jī)翼彎度對機(jī)翼氣動性能的影響,對所提出的變彎度機(jī)翼處于不同構(gòu)型時的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行了有限元數(shù)值分析,證實變彎度機(jī)翼可以有效的改變機(jī)翼的氣動性能,有助于實現(xiàn)機(jī)翼在不同飛行任務(wù)下的氣動效率最優(yōu)。
[Abstract]:......
【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】：2017
【分類號】：V224

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