飛行器殼體夾層結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】一種飛機(jī)制造及計(jì)算機(jī)圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】的飛行器殼體夾層結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法，可用于飛行器，例如客機(jī)、無人機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等的殼體，也可用于潛水器，例如潛水艇的殼體。
【專利說明】飛行器殼體夾層結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種飛機(jī)制造及計(jì)算機(jī)圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是一種便 于在計(jì)算機(jī)程序中實(shí)現(xiàn)的飛行器殼體夾層結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 諸多研究顯示三維折紙結(jié)構(gòu)具有良好的比強(qiáng)度、吸能特性和隔音特性。基于三維 折紙結(jié)構(gòu)的這些特性，它們已經(jīng)被應(yīng)用于快速空投技術(shù)中，作為投遞物底部的緩沖吸能結(jié) 構(gòu)。同時(shí)，這些結(jié)構(gòu)可以作為一種優(yōu)良的飛行器或者潛水器的殼體夾層結(jié)構(gòu)的夾層，從而取 代目前用得比較廣泛的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。飛行器或者潛水器的殼體截面一般呈圓形（例如火 箭、導(dǎo)彈）或者由數(shù)段圓弧組成的閉環(huán)（例如客機(jī)、潛水艇）。將折紙結(jié)構(gòu)應(yīng)用于這些殼體 時(shí)，一個(gè)重要的技術(shù)問題在于在給定殼體截面的幾何尺寸的情況下，設(shè)計(jì)出與此截面相匹 配的折紙結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種飛行器殼體夾層結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方 法，該殼體夾層結(jié)構(gòu)可用于飛行器，例如客機(jī)、無人機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等的殼體，也可用于潛水 器，例如潛水艇的殼體。
[0004] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 本發(fā)明涉及一種飛行器夾層結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，該夾層結(jié)構(gòu)由內(nèi)殼、外殼以及夾在 內(nèi)外殼之間的多個(gè)具有折紙結(jié)構(gòu)的夾層組成。
[0006] 所述的夾層通過以下方式實(shí)現(xiàn)：
[0007] 步驟一：根據(jù)夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑Rin、外徑Rtjut，內(nèi)殼的厚度t in、外殼的厚度tex以及段 長Iseg計(jì)算所需夾層的外徑ri，內(nèi)徑A以及長度I :ri = 內(nèi)=Rin+tin ;l = Iseg;
[0008] 步驟二：確定三維直角坐標(biāo)系的x-z平面的m個(gè)輸入點(diǎn)rf,以及y-z平面的n+2個(gè) 輸入點(diǎn)^ X.1
[0009] 步驟三：根據(jù)輸入點(diǎn)得到折紙結(jié)構(gòu)的mXn個(gè)頂點(diǎn)Vi,』的坐標(biāo),^=， +
[Af]vf ,i = 1,2, ) = 1,2? ..,,n#.其中：

【權(quán)利要求】
1. 一種飛行器夾層結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，該結(jié)構(gòu)由內(nèi)殼、夕卜殼以及夾在內(nèi)外殼之間的多個(gè) 具有折紙結(jié)構(gòu)的夾層組成，所述的夾層通過以下方式實(shí)現(xiàn)： 步驟一：根據(jù)夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑Rin、外徑Rtjut，內(nèi)殼的厚度tin、外殼的厚度t ex以及段長 Iseg計(jì)算所需夾層的外徑ri，內(nèi)徑A以及長度I :ri = 而=Rin+tin ;1 = Iseg; 步驟二：確定三維直角坐標(biāo)系的x-z平面的m個(gè)輸入點(diǎn)1/; 以及y-z平面的n+2個(gè)輸
l，...，m，其中
為遠(yuǎn)大于m的自然數(shù)，2mT = 1 ; 具體采用以下任一方式實(shí)現(xiàn)： 2. I
j = 0，1，…，n+1，其中：/? = $N為大于或等于3的 自然數(shù)； 2. 2) Vye = [0 0 r + ffi]'
= 1,…，n+l,其中：η 小于或等于 6Ν+1，Ν為大于或等于3的自然數(shù)：

并滿足β > β i以及β > β 2 ;ιι」和c〇k分別是兩個(gè)無限長一維向量U和Ω的第j和第k 個(gè)元素；U= [P6X1 P6xi ...!Iooxi, Ω = [Q6xi Q6xi ..Jooxi ;6X1 向量P和 Q 為 P = [r+δ r- δ r- δ 2 r- δ r+ δ r+ δ J , Q = [ β χ β β 2 β 2 β β J ； 2. I
= 1，. . .，Ω+1，其中：η小于或等于 3Ν+1，Ν為大于或等于3的自然數(shù)β+2^ = Pset ;
個(gè)無限長一維向量U和Ω的第j和第k個(gè)元素，U= [P3X1 P3xi ..Jooxi, Ω = [Q3xi Q3xi ? · · ] =O X1，3X 1 向量 P 和 Q 分別為 P = [r+δ r+δ r-δ ]，Q = [ β 1 β β J ；
η小于或等于3Ν+1, N為大于或等于3的自然數(shù)，Aet = $ β +2 β i = β set ;
U和 Ω 的第 j 和第 k個(gè)元素 ，U = [P3X1 P3xi ···] W1, Ω = [Q3xi Q3xi ···] ^xi, 3X1 向 量？和〇分別為？=1>-3 1-5 0 3]，(>)=[@16 31]; 2. 5)]_ = 1，· · ·，n+1，其中：η小于或等于
24Ν+1，Ν為大于或等于 3 的自然數(shù)，I，= HEt 2 β + β 2 = β set ;tf = f(r+ 5)eos今 + fc) +
U 和 Ω 的第 j 和第 k 個(gè)元素 ，U = [P4X1 P4xi . . . ]" X1，Ω = [Q4xi ? Q4XI ...Jmxi'AXl 向 量 P 和 Q 分別為 P = [r+ δ r+ δ r- δ r- δ ]，Q = [ β β I β β 2]; 2
j = 1，· · ·，η+1，其中：η小于或 等于5Ν+1，Ν為大于或等于3的自然數(shù)，
β+2β,+2?^ = β_，并滿足β, > ；
+和ω,分別是兩個(gè)無限長 一維向量U和 Ω 的第 j 和第 k個(gè)元素，U = [P5X1 P5xi ...] ; Ω = [Q5x1 Q5xi ...] ^xi, 5X 1 向量 P 和 Q 分別為 P = [r-δ r+δ r+δ r-δ r-δ 2]，Q = [ β 2 β 丄 β β 2]；
=1，· · ·，η+1，其中：η小于或 等于5Ν+1，Ν為大于或等于3的自然數(shù),It =各β+2β,+2β。= 并滿足β, >
維向量 U 和 Ω 的第 j 和第 k 個(gè)元素 ，U = [P5X1 P5xi . . . ] " X1 ; Ω = [Q5x1 Q5x1 . . . ] " Χ1， 5X1 向量 P 和 Q 分別為 P = [r+ δ r- δ r- δ r+ δ r+ δ J ;Q = [ β 2 β i β β 2]；
2.
= 1，·…，η+1，其中：η小于或等于 6Ν+1，N 為大于或等于 3 的自然數(shù)=^,.23+2^+2^ = Pset ;r22 = (r -5)2+Λ2(1 +
,和《k分別是兩個(gè)無限長一維向 量U 和 Ω 的第 j 和第 k 個(gè)元素，U = [Ρ6Χ1 Ρ6Χ1· · · ] ^xi ; Ω = [Q6xi Q6xi · · · ] ^xiJX 1 向量 P 和 Q 分別為 P=[rrr+5；r;r;r-5];Q=[323 βιβιβ β2];
2.'
= 1，· · ·，η+1，其中：η小于或等 于 10Ν+1，Ν為大于或等于 3 的自然數(shù)，Aei =^2i3+2iV2i32+2i33+2i34 = Pset，并滿
量 U 和 Ω 的第 j 和第 k 個(gè)元素，U = [Pltixi Pltixi · · · ] "" Χ1 ; Ω = [Qltixi Qltixi · · · ] " X1， 10X1 向量P 和 Q 分別為 P = [r_ δ rrr+δ r+Sir+S rrr-S r_52]，Q=[34
β β j β 3 β 3 ^ I ^ β 2 β 4]； 步驟三：根據(jù)輸入點(diǎn)得到折紙結(jié)構(gòu)的mXn個(gè)頂點(diǎn)Vm的坐標(biāo) i = l，2，...，m;j = 1，2，···，η,其

[0 I 0]TSy坐標(biāo)軸的單位向量，iz= [0 0 l]TSz坐標(biāo)軸的單位 I口」星，Il Il衣不對向量取模； 步驟四：定義IVu Vi+1j或者{VM νΜ+1}為一對相鄰頂點(diǎn)；將所有相鄰頂點(diǎn)用直線連 接起來，這些相鄰頂點(diǎn)之間的連接線段即構(gòu)成了折紙結(jié)構(gòu)的折紋，并進(jìn)一步采用計(jì)算機(jī)輔 助實(shí)現(xiàn)夾層制造。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的相鄰頂點(diǎn)是指：以Vq為頂點(diǎn)，則其 相鄰點(diǎn)為{Vi,」vi+1,j}或者{Vi,」H
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的殼體由四部分組成，分別為：頂部以 O1S圓心的圓弧段，其夾層的外、內(nèi)徑分別為r' 1和1·' 2;左側(cè)以O(shè)2為圓心的圓弧段，其 夾層的外、內(nèi)徑分別為r" 1和1·" 2;底部以03為圓心的圓弧段，其夾層的外、內(nèi)徑分別為 r" ' JPr" ' 2;右側(cè)以04為圓心的圓弧段，其夾層的外、內(nèi)徑分別為r" " JPr" " 2; 令 r' i = 21，r' 2=19, r" i = 51，r" 2 = 49, r" ' i = 29. 786, r" ' 2 = 27.786， r" " i = 51，r" " 2 = 49 ;殼體長度I = 11，采用步驟2. I)的方式分別設(shè)計(jì)頂部、右側(cè)、 底部、左側(cè)的夾層；具體如下： (i) 頂部夾層：取m = 12, h = 1，a = 1，可知b = 1 ;得到12個(gè)x-z平面的輸入點(diǎn)： Vxi = U O If, Vx2 = U O If, Vx3 = [3 O -If, FJ = [4 O -if, Vx5 = [S O if, V% = [6 O l]r，rf = [7 O -i]T?G = [8 O -1]T，F(xiàn)| = [9 O 1]T, Ff0 =【i〇 〇 1]T, Ff1 = Ill O -IfiFf2 = [12 O -If5 ^ 取 N = 40,得到 β = π /40 ;計(jì)算得到 r = 19. 9593 和 δ = I. 0045 ;取 n = 21，得到 23個(gè)y-ζ平面的輸入點(diǎn)：巧=〖19.9593 +
= 0,1，…，22,計(jì)算得到 12X21個(gè)頂點(diǎn)Vi,」的坐標(biāo)； (ii) 左、右側(cè)夾層：由于左、右側(cè)夾層具有相同的幾何尺寸，因此僅需設(shè)計(jì)一側(cè)的夾層 即可；取m=12，h = l，a=l，可知b=l，得到12個(gè)χ-z平面的輸入點(diǎn)：^^? = [10lF， Ff = [2 0 if, ￥% = [3 O -Ijr, ￥% = [4 O -l]r, Vf = [5 0 if, V%= [6 O ?]τ, Ff = [7 O -l]r，F(xiàn)! = [S O -1]?[9 O If，Vxlo=IlQ ο IftFf1 = [11 O ν\2 = [12 ? -?Γ:収N = 80,得到 β = 31/80 ;計(jì)算得到r = 49. 9803和 δ = 1.0011 ;取 η = 21，得到23個(gè)y-z平面的輸入點(diǎn)：
22,計(jì)算得到12X21個(gè)頂點(diǎn)Vi,』的坐標(biāo)； (iii) 底部夾層：取m = 12, h = 1，a = 1，可知b = 1，得到12個(gè)x-z平面的輸入 點(diǎn)：Ff = [l 0 lJr，F(xiàn)f = [2 0 lF，g = [3 0 -?Γ，ν? = [4 O -l]r*r| = [5 O 1】Γ, F| = [6 0 if, Ff = [7 0 -1]T, = [8 O -l]T，= [9 0 l|r. Ff0 = [l〇 〇 if, I^1 = [11 0 -lF，= [12 0 -I]7":取 N = 40，得到 β = TI /40 ;計(jì)算得到 r = 28. 7462 和 δ = I. 0049 ;取 η = 41，得到 43 個(gè) y-z 平面的輸入點(diǎn)：# = [28.7462 + (
j = 0,1，...，42,計(jì)算得到12X41個(gè)頂點(diǎn)Vi, j的坐標(biāo)；將上述得到 的四部分夾層按順序首尾相連，即得到所述殼體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的計(jì)算機(jī)輔助制造包括：制造與折紙結(jié) 構(gòu)對應(yīng)的模具，利用模具對平面板材進(jìn)行成型；利用三維打印技術(shù)打??；利用與制造蜂窩 芯材類似的辦法，即先利用可以方便折疊的材料進(jìn)行手工折疊，然后再浸入膠水中對折疊 好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定型和加固。
5. -種飛行器殼體夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述方法制備 得到。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的夾層結(jié)構(gòu)，其特征是，所述夾層之間通過中間殼面隔開。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的夾層結(jié)構(gòu)，其特征是，所述夾層采用金屬、合成材料、碳纖維 材料或紙制成。
【文檔編號】G06F17/50GK104376136SQ201310354930
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月14日
【發(fā)明者】周翔, Y·衷, 汪海 申請人:上海交通大學(xué)