一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開了一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧，涉及柔性蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，能夠在保證成本控制的情況下同時(shí)滿足柔性蒙皮所需要雙重特性。本發(fā)明包括：在二維平面中，金屬彈簧由曲線段和直線段間隔組成，且鄰近的兩個(gè)曲線段之間設(shè)置一個(gè)直線段，其中，曲線段為橢圓弧曲線；在由金屬彈簧組成的纖維增強(qiáng)體中，金屬彈簧排列成網(wǎng)格形式，其中，網(wǎng)格經(jīng)緯向纖維在金屬彈簧的直線段處交叉排列。金屬彈簧由高彈鋼材料制成。本發(fā)明適用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮。
【專利說明】
一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及柔性蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在飛行器的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道可以根據(jù)飛機(jī)飛行速度改變進(jìn) 氣道鼓包型面的結(jié)構(gòu)形狀，調(diào)節(jié)進(jìn)氣道喉道面積，在很大飛行速度范圍內(nèi)，都能保持良好的 氣動(dòng)性能和進(jìn)發(fā)匹配性能，提升高速飛行器的性能。因此自適應(yīng)鼓包的設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用在 各種新型高速飛行器中。
[0003] 為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)進(jìn)氣道的可變形功能，需要鼓包型面采用柔性蒙皮設(shè)計(jì)。該柔性蒙 皮需要滿足可以在較大范圍內(nèi)改變形狀，且能承受很大變形、具有足夠的強(qiáng)度的雙重特性， 同時(shí)為了能夠大規(guī)模生產(chǎn)，還需具有足夠的經(jīng)濟(jì)性，成本也不能太高。但目前可用的經(jīng)濟(jì)型 的柔性復(fù)合材料中，或是彈性變形大但抗拉伸強(qiáng)度不夠，如高分子材料纖維;或是抗拉伸強(qiáng) 度大但彈性變形不夠，例如碳纖維或玻璃纖維，都難以在保證成本控制的情況下同時(shí)滿足 柔性蒙皮所需要雙重特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的實(shí)施例提供一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧，能夠在保證成本控制的情況 下同時(shí)滿足柔性蒙皮所需要雙重特性。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：
[0006] 在二維平面中，金屬彈簧由曲線段和直線段間隔組成，且鄰近的兩個(gè)曲線段之間 設(shè)置一個(gè)直線段，其中，曲線段為橢圓弧曲線;在由金屬彈簧組成的纖維增強(qiáng)體中，金屬彈 簧排列成網(wǎng)格形式，其中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處交叉排列。金屬彈簧由高 彈鋼材料制成。
[0007] 其中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸點(diǎn)通過焊接固定?；蛘?網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸點(diǎn)通過繞絲固定，其中，用于固定的繞 絲的截面直徑小于等于組成纖維增強(qiáng)體的金屬彈簧的截面直徑。
[0008] 所述纖維增強(qiáng)體的網(wǎng)格大小匹配柔性蒙皮的變形和面內(nèi)承載能力，組成纖維增強(qiáng) 體的金屬彈簧的彈簧波長符合所述纖維增強(qiáng)體的網(wǎng)格大小與匹配柔性蒙皮的變形和面內(nèi) 承載能力的匹配關(guān)系，用于表示匹配關(guān)系的彈性變形能力參數(shù)為
其中，彈 ， 簧總長L，波數(shù)n，橢圓弧曲線段的短半軸長a、長半軸長b、直線段長度1。
[0009] 金屬彈簧的拉伸剛度符啟
其中，K表示拉伸剛度，F(xiàn)表示極限承載力和△ L表 示彈性變形量。
[0010] 且在優(yōu)選方案中：組成纖維增強(qiáng)體的金屬彈簧的截面直徑為1mm，橢圓弧曲線段的 短半軸2.5mm長半軸為5mm?；蛘呓M成纖維增強(qiáng)體的金屬彈簧的截面直徑為1.26mm，橢圓弧 曲線段的短半軸3mm長半軸為5mm。
[0011] 本發(fā)明實(shí)施例提供的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，在二維平面中，金屬彈簧由曲線 段和直線段間隔組成，且鄰近的兩個(gè)曲線段之間設(shè)置一個(gè)直線段，其中，曲線段為橢圓弧曲 線。在由金屬彈簧組成的纖維增強(qiáng)體中，金屬彈簧排列成網(wǎng)格形式，其中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維 在金屬彈簧的直線段處交叉排列。根據(jù)如表1-3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該金屬彈簧作為柔性復(fù)合 材料蒙皮的增強(qiáng)纖維，解決了柔性復(fù)合材料蒙皮面內(nèi)變形大、承載高的問題，為自適應(yīng)鼓包 進(jìn)氣道的柔性蒙皮設(shè)計(jì)提供了一種滿足高強(qiáng)度和高彈性的增強(qiáng)纖維，同時(shí)滿足柔性蒙皮對(duì) 增強(qiáng)纖維的高強(qiáng)度和高彈性要求，且金屬彈簧通過相對(duì)廉價(jià)的高彈鋼材料即可制成，從而 在保證成本控制的情況下同時(shí)滿足柔性蒙皮所需要雙重特性。
【附圖說明】
[0012] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的 附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附 圖。
[0013] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的金屬彈簧的形狀示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的金屬彈簧在拉伸狀態(tài)下的變形的形狀示意圖；
[0015] 圖3、圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的由金屬彈簧組成的纖維增強(qiáng)體的形狀示意圖；
[0016] 圖5、圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的具體實(shí)例的參數(shù)曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方 式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。下文中將詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示 例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類 似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能 解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù) 語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同 的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù) 的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含 義來解釋。
[0018] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧，如圖1所示，在二維平面中，金 屬彈簧由曲線段和直線段間隔組成，且鄰近的兩個(gè)曲線段之間設(shè)置一個(gè)直線段，其中，曲線 段為橢圓弧曲線。
[0019] 在由金屬彈簧組成的纖維增強(qiáng)體中，金屬彈簧排列成如圖3所示的網(wǎng)格形式，其 中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處交叉排列。
[0020] 具體的，二維平面金屬彈簧由曲線段和直線段間隔組成，鄰近的兩個(gè)曲線段之間 有一個(gè)直線段，本設(shè)計(jì)中曲線段具體表現(xiàn)形式為橢圓弧曲線，如圖1所示?？紤]到纖維增強(qiáng) 體要排列成網(wǎng)格形式，金屬彈簧設(shè)計(jì)中需要直線段，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在直線段處交叉排列。 曲線段主要實(shí)現(xiàn)金屬彈簧的彈性變形，這種形狀設(shè)計(jì)提高了結(jié)構(gòu)本身的彈性能力，從而可 以改善現(xiàn)有纖維的彈性問題。
[0021] 在本實(shí)施例中，所述纖維增強(qiáng)體的網(wǎng)格大小匹配柔性蒙皮的變形和面內(nèi)承載能 力，組成纖維增強(qiáng)體的金屬彈簧的彈簧波長符合所述纖維增強(qiáng)體的網(wǎng)格大小與匹配柔性蒙 皮的變形和面內(nèi)承載能力的匹配關(guān)系，用于表示匹配關(guān)系的彈性變形能力參數(shù)為
?其中，彈簧總長L，波數(shù)n，橢圓弧曲線段的短半軸長a、長半軸長b、直線段 長度1。
[0022] 具體的，金屬彈簧在彈性范圍內(nèi)的變形能力和它的幾何參數(shù)有關(guān)。設(shè)計(jì)金屬彈簧 參數(shù)如圖1所示:彈簧總長L，波數(shù)n，弧形曲線段部分可以任意選取，這里以橢圓弧曲線段為 例，短半軸長a，長半軸長b，直線段長度1。當(dāng)金屬彈簧在彈性范圍內(nèi)工作時(shí)，主要變形由曲 線段實(shí)現(xiàn)，直線段不能伸長，變形能力與材料的物理參數(shù)、幾何參數(shù)有關(guān)，通過仿真分析方 法可得出金屬彈簧在彈性范圍內(nèi)的整體變形量，則其彈性變形能力可用式(1)表示： _]
(1)
[0024]根據(jù)柔性蒙皮的變形和面內(nèi)承載能力可以設(shè)計(jì)出與之相匹配的金屬彈簧增強(qiáng)纖 維的網(wǎng)格大小，由此確定金屬彈簧波長。
[0025]在本實(shí)施例中，金屬彈簧承載能力設(shè)計(jì)。為確保金屬彈簧受力后仍能恢復(fù)原形，即 變形在彈性范圍內(nèi)，需要確定金屬彈簧的極限承載能力。但由于金屬彈簧的形狀特殊，它在 變形過程中的力學(xué)行為較為復(fù)雜，本專利中只初步給出金屬彈簧的承載能力隨幾何參數(shù)變 化的一般規(guī)律:橢圓弧曲線段截面尺寸一定時(shí)，橢圓弧曲線段長短半軸之比b:a的值越小， 承載能力越強(qiáng);橢圓弧曲線段長短半軸之比b:a的值不變時(shí)，橢圓弧曲線段截面尺寸越大， 承載能力越強(qiáng)。在工程實(shí)際應(yīng)用中，通常以材料的屈服強(qiáng)度作為材料抗力的指標(biāo)，根據(jù)材料 屈服現(xiàn)象是否明顯，屈服強(qiáng)度可取屈服點(diǎn)的屈服值〇 s，或條件屈服強(qiáng)度〇0.2。
[0026] 根據(jù)以上所確定的金屬彈簧極限承載力F和彈性變形量AL，可由式(2)給出它的 拉伸剛度，即金屬彈簧的拉伸剛度符合= S其中，K表示拉伸剛度，F(xiàn)表示極限承載力和Δ ，. L表示彈性變形量。
[0027] 在本實(shí)施例了中，金屬彈簧由高彈鋼材料制成，并設(shè)計(jì)二維平面金屬彈簧，用于自 適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道柔性蒙皮的增強(qiáng)纖維，以滿足高彈性與高強(qiáng)度的要求。
[0028] 在本實(shí)施例中具體應(yīng)用中，參考某尺寸鼓包面外變形要求劃分鼓包型面網(wǎng)格大 小，取橢圓弧曲線段短半軸a = 3mm，長半軸b = 5mm，截面為實(shí)心圓，直徑d= 1mm，直線段長1 =2mm，波數(shù)η = 20，金屬彈簧模型總長L= 162mm。金屬彈簧材料選取碳素彈簧鋼絲，彈性模 量E = 206X 103MPa，由于碳素彈簧鋼絲屈服點(diǎn)非常不明顯，通常取鋼絲產(chǎn)生0.2%的殘余變 形時(shí)的應(yīng)力作為屈服極限。利用有限元軟件ABAQUS對(duì)該模型進(jìn)行仿真，給出金屬彈簧的極 限承載力、彈性變形量，再由式（1)和式(2)給出彈性變形能力和拉伸剛度，結(jié)果如表1所示 的金屬彈簧的變形參數(shù)。
[0029]
[0030] 表 1
[0031] 金屬彈簧在彈性范圍內(nèi)的變形能力和承載能力與它的幾何參數(shù)和形狀參數(shù)有關(guān)。 分別設(shè)計(jì)幾何參數(shù)和形狀參數(shù)，通過有限元軟件進(jìn)一步分析其中的規(guī)律。實(shí)施例金屬彈簧 形狀不變，改變其幾何參數(shù)，變形能力和承載能力會(huì)隨之變化。用橢圓弧曲線段短半軸長與 截面直徑比值的變化表征幾何參數(shù)的變化，變形參數(shù)如表2所示的金屬彈簧彈性變形隨幾 何參數(shù)變化。
[0032]
[0033] 表 2
[0034]其中，改變金屬彈簧幾何參數(shù)，當(dāng)金屬彈簧橢圓弧曲線段長短半軸之比b:a的值不 變時(shí)，橢圓弧曲線段截面尺寸越大，承載能力越強(qiáng)，而變形能力減弱。
[0035]實(shí)施例金屬彈簧幾何參數(shù)不變，改變其形狀，變形能力和承載能力會(huì)隨之變化。改 變橢圓弧曲線段形狀，即改變長半軸與短半軸比值，變形參數(shù)如表3所示的金屬彈簧彈性變 形隨形狀參數(shù)變化。
[0036]
[0037]
[0038] 表 3
[0039] 由表3可以看出，當(dāng)金屬彈簧橢圓弧曲線段截面尺寸一定時(shí)，橢圓弧曲線段長短半 軸之比b:a的值越小，變形能力減弱，承載能力大致呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。
[0040] 在本實(shí)施例中，提供了一種組成纖維增強(qiáng)體的金屬彈簧結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方案，其中：組 成纖維增強(qiáng)體的金屬彈簧的截面直徑為lmm,橢圓弧曲線段的短半軸2.5mm長半軸為5_。
[0041] 可選的，在本實(shí)施例中，還提供了一種組成纖維增強(qiáng)體的金屬彈簧結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方 案，其中：組成纖維增強(qiáng)體的金屬彈簧的截面直徑為1.26mm，橢圓弧曲線段的短半軸3mm長 半軸為5mm。
[0042] 在本實(shí)施例的實(shí)際應(yīng)用中，金屬彈簧的力學(xué)特性可以參照如圖5所示的形狀參數(shù) 變化下的金屬彈簧彈性變形量和拉伸剛度，和圖6所示幾何參數(shù)變化下的金屬彈簧彈性變 形量和拉伸剛度。例如:如圖5所示，當(dāng)橢圓曲線段短半軸長小于1.5mm或大于3.5mm時(shí)，彈性 變形量和拉伸剛度的變化關(guān)系大致呈正相關(guān)性，即隨著參數(shù)變化，彈性變形量遞增(減），拉 伸剛度也是遞增(減）。其中，橢圓曲線段短半軸長在1.5mm和3.5mm之間的力學(xué)特性適合高 彈高強(qiáng)纖維特性。進(jìn)一步的，如圖6所示，改變橢圓曲線段短半軸長或改變截面直徑，彈性變 形量和拉伸剛度的變化形式呈相反趨勢(shì)，即隨著橢圓曲線段短半軸長或截面直徑的增大， 拉伸剛度增大而彈性變形量變小。為了獲得高彈同時(shí)高強(qiáng)的要求，取兩曲線交點(diǎn)作為本實(shí) 施例的最優(yōu)解。即最優(yōu)解的橢圓曲線短半軸長在2.5mm左右，同時(shí)，長半軸長為5mm，截面直 徑為lmm;或者，最優(yōu)解的截面直徑約為1.26mm，同時(shí)橢圓曲線長半軸長為5mm，短半軸長為 3mm。需要說明的是，上述優(yōu)選方案并不代表本實(shí)施例在所有情況下的最優(yōu)解，具體還要根 據(jù)材料的屬性以及變形要求而定，但皆可參照本實(shí)施例的【具體實(shí)施方式】和實(shí)驗(yàn)方法獲取， 可以理解為與本發(fā)明實(shí)施例的本質(zhì)相同的方案。
[0043] 進(jìn)一步的，在本實(shí)施例中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸點(diǎn) (例如:在圖3的基礎(chǔ)上，如圖4所示的)通過焊接固定。
[0044] 并列可選的，在本實(shí)施例中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸 點(diǎn)（例如：在圖3的基礎(chǔ)上，如圖4所示的）通過繞絲固定，其中，用于固定的繞絲的截面直徑 小于等于組成纖維增強(qiáng)體的金屬彈簧的截面直徑。
[0045] 本說明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部 分互相參見即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對(duì)于設(shè)備實(shí) 施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法實(shí)施例 的部分說明即可。以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于 此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替 換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范 圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，包括： 在二維平面中，金屬彈簧由曲線段和直線段間隔組成，且鄰近的兩個(gè)曲線段之間設(shè)置 一個(gè)直線段，其中，曲線段為橢圓弧曲線； 在由金屬彈簧組成的纖維增強(qiáng)體中，金屬彈簧排列成網(wǎng)格形式，其中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維 在金屬彈簧的直線段處交叉排列。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，所述纖維增強(qiáng)體的網(wǎng) 格大小匹配柔性蒙皮的變形和面內(nèi)承載能力，組成纖維增強(qiáng)體的金屬彈簧的彈簧波長符合 所述纖維增強(qiáng)體的網(wǎng)格大小與匹配柔性蒙皮的變形和面內(nèi)承載能力的匹配關(guān)系，用于表示 匹配關(guān)系的彈性變形能力參數(shù)為實(shí)中，彈簧總長L，波數(shù)n，橢圓弧曲線段的短半軸長a、長半軸長b、直 線段長度1。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，組成纖維增強(qiáng)體的金 屬彈簧的截面直徑為lmm,橢圓弧曲線段的短半軸2.5mm長半軸為5mm。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，組成纖維增強(qiáng)體的金 屬彈簧的截面直徑為1.26mm，橢圓弧曲線段的短半軸3mm長半軸為5mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，金屬彈簧的拉伸剛度 p 符合其中，K表示拉伸剛度，F(xiàn)表示極限承載力和△ L表示彈性變形量。 ，.6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，金屬彈簧由高彈鋼材 料制成。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，網(wǎng)格經(jīng) 煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸點(diǎn)通過焊接固定。8. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，網(wǎng)格經(jīng) 煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸點(diǎn)通過繞絲固定，其中，用于固定的繞絲的截 面直徑小于等于組成纖維增強(qiáng)體的金屬彈簧的截面直徑。
【文檔編號(hào)】F16F1/02GK105864332SQ201610324139
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】周麗, 鄒婷婷, 邱濤
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)