專利名稱：一種飛行器變形蒙皮的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛行器蒙皮，尤其涉及一種用于智能可變體飛行器的蒙皮。
背景技術(shù)：
飛行器蒙皮在飛行器結(jié)構(gòu)中起到保持光滑的氣動(dòng)表面，并傳遞局部氣動(dòng)載荷的作用。目前，傳統(tǒng)的飛行器蒙皮一般由強(qiáng)度和剛度較高的金屬材料或復(fù)合材料制得，并且在蒙皮的內(nèi)側(cè)有桁條提供支撐，構(gòu)成飛行器的壁板。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)于智能可變體飛行器的研究逐步深入。所謂智能可變體飛行器是指根據(jù)飛行環(huán)境 和飛行任務(wù)的變化主動(dòng)改變自身外形適應(yīng)這種變化以實(shí)現(xiàn)飛行器性能的提升。由于機(jī)翼(旋翼)是決定飛機(jī)(直升機(jī))性能的主要部件，所以一般針對(duì)機(jī)翼(旋翼)展開智能可變體研究。從變形尺度來看，可變形飛行器包括大尺度變形(如改變機(jī)翼展長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)翼面積的大幅度改變)、中等尺度變形(如改變機(jī)翼前后緣的彎度)和小尺度變形(如進(jìn)行局部流場(chǎng)的控制)三種。可變體飛行器外形可變的特點(diǎn)對(duì)其蒙皮提出了新的要求。用于智能可變體飛行器的蒙皮需要滿足的要求包括以下三點(diǎn)一是較高的彈性極限，即蒙皮可以發(fā)生較大的變形而不進(jìn)入塑性段；二是彈性模量要相對(duì)較低，以降低對(duì)驅(qū)動(dòng)力的要求；三是要能夠傳遞氣動(dòng)載荷。張?jiān)?、趙鵬飛(《單塊式玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)機(jī)翼設(shè)計(jì)》，玻璃鋼/復(fù)合材料，1995年4月)介紹了小型無人機(jī)單塊式玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并給出了機(jī)翼的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和裝機(jī)飛行結(jié)果。尹維龍等人(尹維龍、孫啟建、張波、劉京藏、冷勁松，《形狀記憶聚合物在可變形飛行器上的應(yīng)用》，第十五屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2008年7月)研制了形狀記憶聚合物來實(shí)現(xiàn)蒙皮的大變形，但其承載能力有限。劉穎卓等(劉穎卓、張永存、劉書田、王向明，《考慮復(fù)合材料蒙皮穩(wěn)定性的飛機(jī)翼面結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)》，航空學(xué)報(bào)，2010年10月)針對(duì)多墻式翼面結(jié)構(gòu)，建立了一種考慮復(fù)合材料蒙皮穩(wěn)定性的翼面結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型。徐志偉等人(戚健龍，徐志偉，朱倩，張磊，《變體機(jī)翼大變形梯形蒙皮結(jié)構(gòu)研究》，功能材料，2011年第I期，42卷)建立了梯形蒙皮結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析數(shù)學(xué)模型，與有限元仿真分析結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。劉力搏等人(劉力搏，《基于可變形蒙皮的柔性后緣力學(xué)分析》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011年)用數(shù)值方法模擬前后緣變彎度機(jī)翼，得到其升力、阻力、俯仰力矩等參數(shù)，并與傳統(tǒng)偏折前后緣機(jī)翼進(jìn)行對(duì)比，得出變彎度機(jī)翼的氣動(dòng)特性。周春華等(周春華、王幫峰、劉瞾、寧素娟、牟常偉，《波紋型復(fù)合材料蒙皮拉伸變形特性研究與仿真分析》，2011年11月)利用MSC. Patran/Nastran對(duì)此波紋型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析，并進(jìn)行了樣件拉伸試驗(yàn)，，驗(yàn)證了仿真模型的正確性與波紋型蒙皮的大變形能力。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于智能可變體飛行器的蒙皮，該蒙皮可在較低驅(qū)動(dòng)力下實(shí)現(xiàn)較大的彈性形變，并且可根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的一維變形和局部變形。
技術(shù)方案為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的飛行器變形蒙皮由多個(gè)連續(xù)的蜂窩單元連接組成，各個(gè)蜂窩單元之間呈周期性排列，具有周期性結(jié)構(gòu)，所述的蜂窩單元中填充有彈性基體。優(yōu)選地，所述的彈性基體材料為聚氨酯材料，可以為聚醚型或聚酯型材料。聚氨酯彈性體是主鏈上含有重復(fù)氨基甲酸酯基團(tuán)的大分子化合物，通過調(diào)節(jié)原料的比例對(duì)彈性體的硬度、伸長(zhǎng)極限以及其他性能進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)不同的使用場(chǎng)合，由于聚氨酯彈性體具有較高的彈性極限和較低的彈性模量，使得可變形蒙皮可以在較低的驅(qū)動(dòng)力作用下發(fā)生較大的彈性變形；同時(shí)聚氨酯彈性體具有電致伸縮效應(yīng)，即在外加電場(chǎng)的作用下，可以發(fā)生形變，實(shí)現(xiàn)變形蒙皮的局部變形。優(yōu)選地，所述的蜂窩單元為六邊型蜂窩單元，也可以是具有負(fù)泊松比的六邊形蜂窩單元，每個(gè)蜂窩單元中都填充有所述的彈性基體。所述的蜂窩單元本身具有一定的強(qiáng)度，一般由熱固性塑料制成，也可能選取其他具有較高屈服極限的金屬制成。在本技術(shù)方案的基于彈性基體的變形蒙皮中，所述的蜂窩結(jié)構(gòu)埋在彈性基體中，構(gòu)成一種蜂窩增強(qiáng)彈性體，使得其既有較好的變形能力(由彈性基體提供)，又具有抗彎的能力(由蜂窩提供)。更進(jìn)一步地，為了使本發(fā)明的變形蒙皮具有更好的性能，在所述連續(xù)的蜂窩單元兩側(cè)分別設(shè)置有彈性面板，即彈性面板與連續(xù)蜂窩單元構(gòu)成一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)，可使用在飛行速度較快的飛行器上。在該復(fù)合結(jié)構(gòu)中，彈性面板對(duì)蜂窩單元和蜂窩單元中填充的彈性基體進(jìn)行保護(hù)，增加了變形蒙皮整體的承載的能力，同時(shí)也作為變形蒙皮中彈性體產(chǎn)生電致伸縮時(shí)的電極。所述的彈性面板可以是由聚氨酯直接制成的彈性面板，也可以是由碳纖維復(fù)合材料與彈性體復(fù)合而成的柔性復(fù)合材料面板。當(dāng)蜂窩單元中填充彈性基體時(shí)，一般需對(duì)蜂窩孔壁預(yù)先進(jìn)行噴砂或化學(xué)處理，使蜂窩壁與彈性基體可以可靠地固化在一起。本發(fā)明的技術(shù)方案中，具有周期性的蜂窩單元只可以使用在變形要求不高、氣動(dòng)載荷作用也較小的場(chǎng)合；當(dāng)蜂窩單元中填充有彈性基體時(shí)，則增強(qiáng)了蜂窩單元的面內(nèi)變形能力，當(dāng)同時(shí)與彈性面板構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，彈性基體對(duì)彈性面板也起到增強(qiáng)的作用。本發(fā)明中提出的變形蒙皮的性能是彈性體性能和蜂窩性能的綜合結(jié)果。由于彈性體一般被視為不可壓縮材料，泊松比約等于0. 5，通過合適的組合和調(diào)節(jié)，如果蜂窩具有負(fù)泊松比，便可以使蒙皮整體具有零泊松比的特點(diǎn)，滿足需要蒙皮具有零泊松比特性的應(yīng)用場(chǎng)合。以下將結(jié)合蜂窩結(jié)構(gòu)有關(guān)原理對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明蜂窩結(jié)構(gòu)可以視為正交各向異性材料，通過9個(gè)等效工程常數(shù)來描述其力學(xué)性 能。其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以寫作
權(quán)利要求
1.一種飛行器變形蒙皮，由N個(gè)連續(xù)的蜂窩單元(21)連接組成，其中N為自然數(shù)，其特征在于，所述的蜂窩單元(21)中填充有彈性基體(3)。
2.如權(quán)利要求I所述的飛行器變形蒙皮，其特征在于，所述的彈性基體(3)為聚氨酯彈性基體。
3.如權(quán)利要求I或2所述的飛行器變形蒙皮，其特征在于，所述的蜂窩單元(21)為六邊形蜂窩單元。
4.如權(quán)利要求I或2所述的飛行器變形蒙皮，其特征在于，所述的蜂窩單元(21)為具有負(fù)泊松比的六邊形蜂窩單元。
5.如權(quán)利要求I所述的飛行器變形蒙皮，其特征在于，所述的蜂窩單元(21)由熱固性塑料制成。
6.如權(quán)利要求I所述飛行器變形蒙皮，其特征在于，還包括第一、第二彈性面板(I、I’)，所述的多個(gè)連續(xù)的蜂窩單元(21)位于第一彈性面板(I)和第二彈性面板(I’)之間。
7.如權(quán)利要求6所述的飛行器變形蒙皮，其特征在于，所述的第一、第二彈性面板(I、I’)由聚氨酯彈性材料制成。
8.如權(quán)利要求6所述的飛行器變形蒙皮，其特征在于，所述的第一、第二彈性面板(I、I’)由聚氨酯彈性材料層和碳纖維材料層復(fù)合制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種飛行器變形蒙皮，由N個(gè)連續(xù)的蜂窩單元(21)連接組成，其中N為自然數(shù)，其特征在于，所述的蜂窩單元(21)中填充有彈性基體(3)。本發(fā)明采用對(duì)不同性能材料復(fù)合的方法，在保證變形能力的前提下，盡可能地提高了變形蒙皮的傳遞載荷的能力，解決了在較低的驅(qū)動(dòng)力作用下實(shí)現(xiàn)較大的彈性變形并傳遞氣動(dòng)載荷之間的矛盾，并進(jìn)一步利用聚氨酯彈性體的電致伸縮效應(yīng)，對(duì)局部流場(chǎng)進(jìn)行主動(dòng)控制，使變形蒙皮具有了不同尺度變形的能力。實(shí)現(xiàn)對(duì)智能可變體飛行器性能的綜合優(yōu)化。
文檔編號(hào)B64C1/12GK102700704SQ201210175459
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者季宏麗, 王晨, 聶瑞, 裘進(jìn)浩, 鄧文 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)