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不同于传统的飞行器,智能飞行器在飞行过程中,能够根据飞行环境、任务使命以及外部的攻击和干扰等进行自适应变形,使气动外形、机动特性、飞行轨迹、飞行高度、飞行速度、雷达散射面积等灵活变化,以发挥出飞行器最佳的飞行性能。它是一种能够执行多任务,具有多气动形态的飞行器,成为下一代飞行器研究发展的重点和热点。智能变形飞行器气动外形的改变不但需要相应的变形驱动机构,而且需要能够产生特定变形和较强承载能力的蒙皮作为支撑。目前普遍使用的传统刚性蒙皮无法满足变形和承载两方面的要求,可变形蒙皮的研究仍然处于初步的探索阶段,也不能很好地满足智能变形飞行器对蒙皮的要求。基于蜂窝结构的特点和传统蒙皮的缺陷,本课题组将柔性机构的理念引入到飞行器广泛采用的蜂窝夹层结构设计中去,提出基于柔性蜂窝结构的超弹性蒙皮结构概念构想,有望实现变形柔度、承载刚度、轻质三方面性能俱佳的可变形蒙皮结构。蜂窝芯作为柔性蜂窝芯超弹性蒙皮的关键关键部分之一,对其变形问题的研究成为了柔性蜂窝芯超弹性蒙皮研制的基础。
本文基于柔性悬臂梁模型,对负泊松比和零泊松比蜂窝结构斜壁板大变形条件下的弯曲变形进行了分析,给出了负泊松比和零泊松比蜂窝芯面内等效弹性模量理论计算公式;通过有限元仿真和力学实验的对比分析,验证了非线性理论等效弹性模量计算公式的正确性,得出了等效弹性模量的非线性特性及相同方向和不同方向弹性模量的变化特性;以单个蜂窝单元的研究为基础通过仿真和实验的方法对蜂窝矩阵的等效弹性模量进行了研究,得出了蜂窝矩阵等效弹性模量的工程计算公式;以蜂窝矩阵的变形研究为基础开展了柔性蜂窝芯超弹性蒙皮的结构设计。
1.对智能变形飞行器、自适应机翼、变形蒙皮及蜂窝材料的概念和国内外的研究概况进行了介绍和总结,阐述了论文的来源及研究意义,奠定了以柔性蜂窝芯结构为基础的超弹性蒙皮研究的基础。
2.基于柔性悬臂梁模型,对负泊松比和零泊松比蜂窝结构斜壁板大变形条件下的弯曲变形进行了分析,以椭圆积分的形式给出了负泊松比和零泊松比蜂窝芯面内等效弹性模量非线性理论计算公式,为蜂窝芯结构柔性大变形问题的研究提供了理论基础。
3.利用ANSYS有限元软件,对负泊松比、零泊松比蜂窝芯结构单个单元和蜂窝矩阵的柔性大变形问题进行了仿真分析,并将仿真结果与理论计算结果进行了对比分析,验证了蜂窝结构大变形条件下等效弹性模量的非线性特性,得出了等效弹性模量不随蜂窝矩阵维数变化而变化的特性。
4.基于对蜂窝芯结构柔性大变形问题的理论分析和有限元仿真分析,开展了负泊松比、零泊松比蜂窝芯结构单个单元和蜂窝矩阵的实验研究,并将实验结果和理论计算结果、仿真结果进行了对比分析,结果表明:理论、仿真、实验曲线吻合程度良好,证明了负泊松比、零泊松比蜂窝芯等效弹性模量计算公式的正确性和有效性;负泊松比蜂窝芯Y方向等效弹性模量非线性特征明显,X方向等效弹性模量近似于线性变化,零泊松比蜂窝芯Y方向等效弹性模量非线性特征明显;同一方向单向拉伸和压缩的等效弹性模量随应变的增大变化趋势相反,应变越大两者差值越大,等效弹性模量的计算应根据受力方向和受力状态选择相应的计算公式进行计算;等效弹性模量不随蜂窝矩阵维数的变化而发生改变。
5.基于对蜂窝芯柔性大变形问题的理论、仿真和实验研究,开展了对柔性蜂窝芯弹性蒙皮可变形面板的结构设计和蜂窝芯层模块化设计的初步研究。提出了可错位滑动变形面板的设计思路,既满足蒙皮对面板变形的要求,又可以确保蒙皮具有足够的承载刚度和强度,且不受面板材料的限制。基于蜂窝芯层轮廓切割加工方法的弊端,提出了针对典型负泊松比、零泊松比蜂窝芯层的模块化结构设计方案。