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《哈尔滨工业大学》 2015年
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基于SMPC蒙皮和主动蜂窝结构的可变形机翼结构研究

孙健  
【摘要】:可变形飞行器可以具有更短的起降距离,更少的燃油消耗,更远的巡航距离,更高的升限,机翼可变形技术是提高飞行器综合性能的变革性技术,对飞机的发展具有重要意义。但是,限制可变形飞行器发展的一个关键因素是轻质、变形/承载一体化的材料和结构,采用传统的材料和结构研制的可变形飞行器具有重量大、机构复杂、维修费用高等缺点。实现可变形飞行器结构的主要关键技术包括:变形/承载一体化蒙皮技术、高能量密度驱动器技术、自适应变形结构技术等。新型智能材料和结构具有变形大、能量密度高、自驱动、自感知等特点,为可变形飞行器的发展提供了材料基础。为了解决可变形飞行器的关键技术问题,本文提出了一种新材料作为变形/承载一体化蒙皮结构,提出了两种新结构作为驱动/结构一体化自适应结构,并通过三种新应用验证其可行性。可变形蒙皮结构需要随变形结构而变形,这就要求其具有较低的变形刚度,而在飞行过程中,飞机蒙皮又要具有足够的刚度以承受气动载荷,为了解决这一矛盾问题,本文提出了一种采用变刚度材料(形状记忆聚合物)来设计可变形蒙皮的方案。该材料在低温时刚度较高(呈玻璃态),可以承受气动载荷;而在高温时刚度大幅降低(呈橡胶态),可以实现变形。本文针对热固性苯乙烯基形状记忆聚合物树脂低温韧性差、不抗撕裂等问题,提出了采用弹性纤维增强形状记忆聚合物的力学性能,制备了不同纤维含量的弹性纤维增强的形状记忆复合材料,并进行了动态力学性能分析、高低温力学性能分析、热响应分析等。结果证明,弹性纤维增强了形状记忆聚合物在低温情况下的韧性,增强了其在高温情况下的弹性模量和强度,大大增强了纯形状记忆聚合物材料的抗撕裂性能,提高了形状记忆聚合物在使用过程中的安全性和可靠性。本文将形状记忆复合材料蒙皮应用于一个可变弯度后缘机翼模型上,在满足变形条件的同时,形状记忆复合材料蒙皮是否能够满足气动承载要求是本文关注的重点。通过CFD仿真分析,获得机翼表面的静压分布,并将其加载在蒙皮表面,获得其面外变形数据。结果表明,10mm厚的形状记忆复合材料蒙皮在玻璃态时,可以满足可变形飞行器在M0.6的高速情况下飞行,而在橡胶态时也可以满足在M0.1的低速飞行条件。对于一个可变形飞行器而言,可以让其在低速时变软以改变机翼形状,蒙皮变硬后再进行高速飞行,验证了形状记忆复合材料蒙皮结构应用的可行性。根据可变形飞行器对轻质驱动器和变形结构的需求,本文提出了采用气动柔性管驱动的主动蜂窝结构。第一类方案是将气动柔性管平铺式布置于两组蜂窝之间来改变蜂窝组之间的距离,并将其用于变厚度机翼结构中;第二类方案是将气动柔性管插入蜂窝内部来改变蜂窝夹角,将其用于变翼尖机翼结构上。针对第一类方案,分别提出了将气动柔性管沿展长方向和沿弦长方向铺设两种方法,建立了气动柔性管变形与机翼厚度变化的几何模型,通过力学分析,构建了不同负载条件下气动柔性管内的输入压强与主动蜂窝结构之间的方程,制备了气动柔性管驱动主动蜂窝结构的典型样件,并通过实验验证了理论分析结果,分别研制了沿展长方式和沿弦长方式铺设气动柔性管驱动机翼厚度变化的机翼模型,演示了其未来用于可变形飞行器的可行性。针对第二类方案,将两个气动柔性管插入内凹六边形蜂窝结构中,通过充气改变蜂窝之间的夹角使其主动变形,建立了此种主动蜂窝结构的几何模型和能量模型,给出了系统的输入压强与输出位移之间的关系式,分别通过线弹性模型和超弹性模型对变形结构进行了分析与预测,最后通过实验与理论模型和有限元模型进行对比分析,实验分析了主动蜂窝结构在循环加载情况下的滞回现象和能量消耗情况。利用此主动蜂窝结构和形状记忆复合材料蒙皮设计了一种变翼尖机翼结构,建立了变翼尖结构的输入气压与翼尖角度之间的关系,并进行了实验验证。弹性纤维增强形状记忆复合材料蒙皮覆盖在翼尖折叠拐角处,使机翼在变形过程中光滑连续,并且能够锁定机翼形状,演示机翼模型验证了该变形概念有潜力用于未来的飞行器的变翼尖结构上。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:V214;V224

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