阅读说明：本技术 一种基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变弯度机翼 (Variable camber wing based on flexible skin of composite material corrugated plate ) 是由 白江波 杨光昊 谢长川 冒森 于 2020-03-16 设计创作，主要内容包括：一种基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变弯度机翼,由多段翼段、转轴、铰接结构、复合材料波纹板和弹性体层组成。其连接关系如下：各个翼段通过转轴收尾相连,相邻翼段之间覆盖上复合材料波纹板,复合材料波纹板分别固定在前翼段和后翼段的平台上,每块复合材料波纹板中部设有铰接结构与相应翼段相连,弹性体层粘接在复合材料波纹板的外表面。本发明利用了复合材料波纹板柔性蒙皮在沿波纹方向上具有大变形能力的特点,设计了一种变弯度机翼结构,并用铰接结构对复合材料波纹板柔性蒙皮施加面外约束,该机翼能够实现变弯度功能,且复合材料波纹板柔性蒙皮不会出现许用范围之外的面外变形,能够维持良好的气动外形。(A variable camber wing based on a flexible skin of a composite material corrugated plate comprises a plurality of sections of wing sections, a rotating shaft, a hinged structure, the composite material corrugated plate and an elastomer layer. The connection relationship is as follows: each wing section is connected through the pivot final phase to end, covers the combined material buckled plate between the adjacent wing section, and the combined material buckled plate is fixed respectively on the platform of wing section and back wing section in the front, and every combined material buckled plate middle part is equipped with hinge structure and links to each other with corresponding wing section, and the elastomer layer bonds at the surface of combined material buckled plate. The invention designs a variable camber wing structure by utilizing the characteristic that the flexible skin of the composite material corrugated plate has large deformation capacity along the corrugation direction, and applies out-of-plane constraint to the flexible skin of the composite material corrugated plate by using a hinge structure, so that the wing can realize the variable camber function, and the flexible skin of the composite material corrugated plate can not generate out-of-plane deformation outside the allowable range, thereby maintaining good pneumatic appearance.)

一种基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变弯度机翼

技术领域

本发明提供一种基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变弯度机翼，属于结构设计领域。

技术背景

在航空领域，“变体飞机”是可以通过改变其几何外形达到增强任务剖面内性能的飞行器，其中最关键的技术是变体机翼。变弯度机翼是变体机翼的一种，相对于传统机翼，可光滑连续变弯度的变体机翼具有更高的气动效率。复合材料波纹板在波纹方向上具有拉伸大变形能力，且具有良好的弯曲变形的能力，在垂直于波纹的方向具有大的刚度，因此，复合材料波纹板适合作为变弯度机翼的柔性蒙皮。但是，由于复合材料波纹板凹凸不平，气动外形不好，需要在复合材料波纹板外侧覆盖一层弹性体层，从而形成连续光滑气动外形的复合材料波纹板柔性蒙皮。此外，复合材料波纹板柔性蒙皮的面外刚度较小，当承受气动载荷时，或者机翼弯曲变形导致某一面蒙皮受压时，复合材料波纹板柔性蒙皮会出现较大的面外变形，导致机翼气动外形被破坏。因此，本发明提供一种基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变弯度机翼，由多段翼段、转轴、铰接结构、复合材料波纹板和弹性体层组成，能实现变弯度功能，且在铰接结构的约束下，复合材料波纹板柔性蒙皮在受到气动载荷或者机翼弯曲变形时，不会出现许用范围之外的面外变形，从而保持良好的气动外形。

发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变体机翼，能实现变弯度功能，且在气动载荷的作用下或者机翼弯曲变形时，复合材料波纹板柔性蒙皮不会出现许用范围之外的面外变形，能够维持良好的气动外形。

2、技术方案：本发明是一种基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变弯度机翼，由多段翼段、转轴、铰接结构、复合材料波纹板和弹性体层组成。基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变体弯度机翼的蒙皮的主体是复合材料波纹板，其横截面为连续的波纹单元，每个波纹单元由光滑连接的圆弧组成，在复合材料波纹板外侧覆盖一层弹性体层，复合材料波纹板和弹性体层构成了该变体机翼的柔性蒙皮。基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变体弯度机翼由四段翼段组成，其中靠近前缘的第一段翼段为固定段，相邻翼段通过转轴相连，转轴由电机驱动，可带动后一段翼段转动。相邻翼段之间覆盖上复合材料波纹板，复合材料波纹板分别固定在前翼段和后翼段的平台上，弹性体层粘接在复合材料波纹板的外表面，以维持光滑的气动外形，复合材料波纹板和弹性体层共同构成了复合材料波纹板柔性蒙皮。在每块复合材料波纹板中部设有铰接结构，铰接结构下底座安装在相应的翼段上，铰接结构上底座安装在复合材料波纹板相应波峰处，上底座和下底座之间通过刚性杆连接。电机驱动各个转轴带动相应的翼段转动，而每个翼段的平台则会带动复合材料波纹板柔性蒙皮变形，实现变弯度功能。每块复合材料波纹板中部的铰接结构可对复合材料波纹板柔性蒙皮施加面外约束，使得复合材料波纹板柔性蒙皮具有抵抗气动载荷的能力。同时，相对于固支连接，铰接结构不会对复合材料波纹板柔性蒙皮过约束，不会阻碍或降低复合材料波纹板柔性蒙皮的变形能力，不会使复合材料波纹板柔性蒙皮产生不连续变形。由于复合材料波纹板在机翼展长方向具有大的弯曲刚度，因此，铰接结构在机翼展长方向上不需要连续不间断布置，可根据复合材料波纹板在机翼展长方向上的弯曲模量间隔布置铰接结构，以此减轻基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变体弯度机翼的结构重量。

其中，复合材料波纹板为碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维和硼纤维制成的单向带层合波纹板，和碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维和硼纤维制成的编织材料波纹板。

其中，弹性体层为硅橡胶、丁腈橡胶、纤维增强硅橡胶、纤维增强丁腈橡胶、压电纤维硅橡胶复合材料和压电纤维丁腈橡胶复合材料。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明：

图1是复合材料波纹板的横截面示意图，柔性复合材料波纹板的横截面为连续的波纹单元，每个波纹单元由连续光滑相接的圆心角为θ，半径为R的圆弧组成，复合材料波纹板在其波纹方向具有较大的拉伸变形能力和弯曲变形能力。

图2是初始状态下不含铰接结构的复合材料波纹板柔性蒙皮变体机翼。在图2中：部件2为第一段翼段，部件3为第二段翼段，部件4为第三段翼段，部件5为第四段翼段，部件6为连接第一和第二段翼段的转轴，部件7为连接第二和第三段翼段的转轴，部件8为连接第三和第四段翼段的转轴，部件9为机翼上表面复合材料波纹板，部件10为机翼下表面复合材料波纹板，部件11为机翼上表面弹性体层，部件12为机翼下表面弹性体层。

图3是变形状态下不含铰接结构的复合材料波纹板柔性蒙皮变体机翼。

图4是初始状态下含铰接结构的复合材料波纹板柔性蒙皮变体机翼。在图4中：部件13为用于复合材料波纹板柔性蒙皮变体机翼的铰接结构。

图5是铰接结构细节图。

图6是变形状态下含铰接结构的复合材料波纹板柔性蒙皮变弯度机翼。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明做出进一步的说明。

本发明是一种基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变体机翼。复合材料波纹板柔性蒙皮(如图1所示)由连续的波纹单元光滑相连而成，每个波纹单元的圆心角为θ，波纹半径为R，复合材料波纹板在其波纹方向上具有拉伸和弯曲变形能力，在垂直于波纹方向上具有较大的刚度。其中，复合材料波纹板为碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维和硼纤维制成的单向带层合波纹板，和碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维和硼纤维制成的编织材料波纹板。变体机翼结构(如图2所示)由翼段2、翼段3、翼段4和翼段5首尾相连组成，翼段2和翼段3通过转轴6相连，翼段3和翼段4通过转轴7相连，翼段4和翼段5通过转轴8相连。转轴6、转轴7和转轴8由电机驱动，可分别带动翼段3、翼段4和翼段5转动。每个翼段上下各有一个平台，平台贴合机翼翼型。机翼的上表面蒙皮9和下表面蒙皮10均为复合材料波纹板，在上下表面的复合材料波纹板外侧分别粘贴有弹性体层11和12，复合材料波纹板和弹性体层共同构成了复合材料波纹板柔性蒙皮，其中，弹性体层为硅橡胶、丁腈橡胶、纤维增强硅橡胶、纤维增强丁腈橡胶、压电纤维硅橡胶复合材料和压电纤维丁腈橡胶复合材料。上下表面蒙皮9和10分别通过四个粘接点连接在翼段2、翼段3、翼段4和翼段5上的平台上。当不含铰接结构的复合材料波纹板柔性蒙皮变体机翼转动时，电机驱动各个转轴带动相应的翼段转动，而每个翼段的平台则会带动复合材料波纹板柔性蒙皮变形，机翼的一面蒙皮受拉，另一面蒙皮受压，受压面的波纹结构柔性复合材料蒙皮会向内凹陷，若机翼转动角度过大，受压面蒙皮会发生失稳(如图3所示)，导致机翼的气动外形被破坏。对于不含铰接结构的复合材料波纹板柔性蒙皮变体机翼，相邻平台间之间的复合材料波纹板缺少约束，且复合材料波纹板柔性蒙皮面外刚度小，当机翼受到较大的面外载荷时，蒙皮将出现许用范围以外的面外变形，使气动外形被破坏。为了使机翼在转动过程中始终能具有良好的气动外形，设计了带有铰接结构的基于复合材料波纹板柔性蒙皮的变体机翼(如图4所示)，图4中部位13为铰接结构。本发明在相邻两平台中部，复合材料波纹板和相应翼段结构之间设计了铰接结构(如图5所示)，铰接结构下底座安装在相应翼段结构上，铰接结构上底座安装在相应复合材料波纹板的波峰处，上底座和下底座之间通过刚性杆连接。铰接结构能够为复合材料波纹板柔性蒙皮提供面外约束，使得复合材料波纹板柔性蒙皮具有抵抗气动载荷的能力，确保复合材料波纹板柔性蒙皮在受到气动载荷或机翼弯曲变形时，不会出现凹陷或者凸出的情况。同时，铰接结构不会对复合材料波纹板柔性蒙皮施加过约束，铰接上底座和下底座与刚性杆之间有一个方向的转动自由度，因此铰接结构不会阻碍或降低复合材料波纹板柔性蒙皮的变形能力。同时，由于复合材料波纹板在机翼展长方向具有大的弯曲刚度，因此铰接结构在机翼展长方向上不需要连续不间断布置，可根据复合材料波纹板在机翼展长方向上的弯曲模量间隔布置铰接结构，以此减轻机翼结构重量。当含有铰接结构的复合材料波纹板柔性蒙皮的变体机翼弯曲变形时(如图6所示)，铰接结构能够为复合材料波纹板柔性蒙皮提供面外约束，但是又不会影响复合材料波纹板柔性蒙皮的柔顺变形，因此在机翼变形过程中，机翼始终能够保持较好的气动外形。