（机械电子工程专业论文）负泊松比蜂窝芯结构的力学特性研究.pdf

i l u l i m i i i i i i t l l l l l l l m i i l l u l l l l l l l l i y 2 12 5 2 4 2 u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e gr e e 1 j 一 十 m j j i p w s t u d y o fm e c h a ni c s c h a r a c t er s t i c so fn e g a t i v e p o i s s o n sr a t i oh o n e y c o mb c or es t r uc t ur e 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文 是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果 除已特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明 作者签名 耋 l 旦亟佥 签字日期 2 盈1 21 匹 2 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一 学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权 即 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 可以将学位论文编入 中 国学位论文全文数据库 等有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存 汇编学位论文 本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相 致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 圈公开 作者签名 签字日期 2 受1 2 垒苎 12签字日期 幽堡 弓p 摘要 摘要 现代飞行器在大变化飞行环境中继续保持人们所期待的优良飞行性能的要 求对飞行器的发展提出了新的要求 而且随着社会的进步和飞行器技术的发展 提出了 智能变形飞行器 概念 智能变形飞行器可以通过很多方法来实现 通过可变形蒙皮来实现智能变形飞行器 对飞行器蒙皮提出的新要求是在特定 方向上能产生实现智能变形飞行器所需的变形 在其余方向上有足够的强度和 刚度以至于能承受外界气动载荷作用 而就目前各种结构的研究现状来看 传 统结构已经不能满足智能变形飞行器新的要求 而蜂窝芯结构相比于其他结构 有其独特的优点 在所设定的方向上能产生蒙皮结构所需的大变形 在余方向 上有足够的强度和刚度 且重量轻 节省材料 因此基于上述要求和现状 对 蜂窝芯结构进行更深入的研究 为通过蜂窝芯结构的变形来实现智能变形飞行 器提供理论参考 本文基于g i b s o n 公式及e u l e r 梁理论 参考正泊松比蜂窝芯结构分析及现 有的负泊松比蜂窝芯结构分析 将蜂窝芯壁板的拉伸压缩变形视为不可忽略 推导出了计算内凹六边形蜂窝芯结构力学特性参数的修正公式 使得其力学特 性参数的理论计算更加接近实际 并推导了星形结构的力学特性理论公式 运 用遗传算法和粒子群算法对内凹六边形结构尺寸参数进行了多目标优化设计 为蜂窝芯结构的设计与多目标优化打下基础 通过a n s y s 对负泊松比蜂窝芯 结构模型进行了仿真分析 并加工模型进行了力学性能实验 验证了理论公式 的可行性 为蜂窝芯结构的工程实用化提供依据 本文的主要内容如下 首先 对现阶段国内外对于智能变形飞行器 可变形蒙皮结构及正 负 零泊松比蜂窝芯结构发展现状的研究 对通过蜂窝芯结构来实现超弹性蒙皮结 构概念进行总体把握 然后 基于g i b s o n 公式及e u l e r 梁理论 参考现有正 负泊松比蜂窝芯结 构分析 对于具有负泊松比特性的内凹六边形蜂窝芯结构 将其单元壁板的拉 伸压缩变形视为不可忽略 推导出了其等效模量的修正公式 对于同样具有负 泊松比特性的星形结构 推导出了其等效模量公式 为蜂窝芯结构的研究提供 理论基础 之后 为满足超弹性蒙皮产生大变形的要求 同时又要使得蜂窝芯结构在 不需要变形方向上有足够的强度和刚度 因此基于变形量与强度和刚度的要求 提出了多目标优化问题 运用遗传算法和粒子群算法分别对内凹六边形蜂窝芯 摘要 结构进行了多目标优化 得出满足边界条件及目标函数的蜂窝芯结构尺寸参数 为蜂窝芯结构的大变形 高强度和刚度设计提供参考 最后 为研究内凹六边形蜂窝芯结构等效弹性模量随参数的变化规律 同 时验证理论公式的可行性 通过a n s y s 对其进行仿真 分析其变形量 等效 弹性模量随受力及尺寸参数变化规律 用亚克力板加工两套不同厚度t 的内凹 六边形蜂窝芯结构模型 进行了力学性能实验 得出变形量 等效弹性模量随 受力及尺寸参数变化规律 将理论 a n s y s 仿真 实验结果进行了比较分析 结果表明 内凹六边形蜂窝芯结构x 方向上的变形量随着所受力的增大而增大 随着参数砌的增大而减小 该方向上的等效弹性模量随着参数肋的增大而增 大 误差范围内可视为一致性较吻合 验证了理论公式的可行性 关键词 蜂窝结构负泊松比弹性模量优化设计a n s y s 实验 h a b s t r a c t a b s t r a c t t om a i n t a i ne x c e l l e n tf l i g h tp e r f o r m a n c ea sp e o p l ee x p e c ti nt h eu n s t a b l e e n v i r o n m e n t i tr e q u e s t sn e wr e q u i r e m e n to nt h ed e v e l o p m e n to fa i r c r a f t p e o p l e r a i s e dan e wc o n c e p to f i n t e l l i g e n tm o r p h i n ga i r c r a f t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s o c i a lp r o g r e s sa n da i r c r a f tt e c h n o l o g y w h i c hc a l lb ea c h i e v e db ym a n yw a y s s u c h a sd e f o r m a b l es k i n t h en e wr e q u i r e m e n to ft h ea i r c r a f ts k i ni st op r o d u c e d e f o r m a t i o na si n t e l l i g e n tm o r p h i n ga i r c r a f tr e q u i r e si np a r t i c u l a rd i r e c t i o n a n dt o m a i n t a i ns u f f i c i e n ts t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fb e a r i n go u t s i d ea e r o d y n a m i cl o a di n n o d e f o r m a t i o nd i r e c t i o n b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fv a r i o u ss t r u c t u r e s t h e t r a d i t i o n a ls t r u c t u r ec a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n t e l l i g e n tm o r p h i n ga i r c r a f t c o m p a r i n gw i t h o t h e rs t r u c t u r e s h o n e y c o m bc o r es t r u c t u r eh a si t s u n i q u e a d v a n t a g e s l a r g ed e f o r m a t i o ni nap a r t i c u l a r d i r e c t i o nw h i l ek e e p i n gs u f f i c i e n t s t r e n g t ha n ds t i f f n e s si no t h e rd i r e c t i o n l i g h tw e i g h ta n ds a v i n gm a t e r i a l s t h u s i t s n e c e s s a r y t op r o c e s sf u r t h e rs t u d yo nh o n e y c o m bc o r es t r u c t u r e w h i c hc a np r o v i d ea r e f e r e n c ef o ri n t e l l i g e n tm o r p h i n ga i r c r a f tb a s e do nh o n e y c o m bc o r es t r u c t u r e b a s e do ng i b s o nf o r m u l aa n de u l e rb e a mt h e o r y r e f e r e n c i n gw i t ha n a l y s i so f p o s i t i v ea n dn e g a t i v ep o i s s o n sr a t i o nh o n e y c o m bs t r u c t u r e a n df u r t h e rc o n s i d e r i n g t h e i n p l a n e s t i f f n e s se f f e c to fs t r e t c h i n gd e f o r m a t i o no fh o n e y c o m bp a n e l a m o d i f i e df o r m u l aw a sd e d u c e dt oc a l c u l a t et h ei n p l a n em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f t h ec o n c a v eh e x a g o n a lh o n e y c o m bs t r u c t u r e w h i c hc a nm a k et h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o i l sc l o s e rt ot h ea c t u a l a n d d e d u c et h et h e o r e t i c a lf o r m u l ao ft h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es t a rs t r u c t u r e u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h ma n dp a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o n s i z ep a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e dt ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h e d e s i g no ft h eh o n e y c o m bs t r u c t u r ea n dm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n a n s y sw a s a p p l i e d t os i m u l a t et h e n e g a t i v ep o i s s o n s r a t i o h o n e y c o m bs t r u c t u r e a n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e se x p e r i m e n t so fm o d e l sw e r ep e r f o r m e d s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t sv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h et h e o r e t i c a lf o r m u l a w h i c ht h e np r o v i d e st h e b a s i sf o r t h ea p p l i c a t i o no fh o n e y c o m bc o r es t r u c t u r e t h em a i ns t r u c t u r eo f t h i sp a p e ri ss h o w na sf o l l o w s f i r s t l y b ys t u d y i n gt h eg e n e r a lc o n c e p t so fi n t e l l i g e n tm o r p h i n ga i r c r a f ta n d d e f o r m a b l es k i n c u r r e n tr e s e a r c hl e v e ld o m e s t i ca n do v e r s e a so fi n t e l l i g e n t m o r p h i n ga i r c r a f t d e f o r m a b l es k i na n dn e g a t i v ep o i s s o n sr a t i oh o n e y c o m bs t r u c t u r e i i i a b s t r a c t 一 w el e a r nt h eo v e r a l l p r i n c i p l e sa n dr u l e so ft h ec o n c e p to fs u p e r e l a s t i cs k i nb a s e do n t h eh o n e y c o m bc o r es t r u c t u r e s e c o n d l y b a s e do ng i b s o ne q u a t i o na n de u l e rb e a mt h e o r y t h ec o r r e c t i o n f o r m u l ao fe q u i v a l e n tm o d u l u so fc o n c a v eh e x a g o nh o n e y c o m bs t r u c t u r e w a s d e d u c e db yr e f e r r i n ga n a l y s i so fp o s i t i v e a n dn e g a t i v e p o i s s o n sr a t i oh o n e v c o 瑚l b c o r es t r u c t u r eb yc o n s i d e r i n gt h ec h a n g eo fi n p l a n e s t i f f n e s s t h ee q u i v a l e n t m o d u l u se q u a t i o no f s t a r s h a p e ds t r u c t u r ew a sa l s od e d u c e d p r o v i d ea 也e o 觚c a l b a s i sf o rt h es t u d yo ft h eh o n e y c o m bc o r es t r u c t u r e t h i r d l y t om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h a tt h eh o n e y c o m bc o r es t m c t u r ec a l l m a i n t a i ns u f f i c i e n ts t i f f n e s sa n ds t r e n g t hi nt h eu n n e e d e d d e f o n n a t i o nd i r e c t i o n w h e ns u p e r s k i ni su n d e rl a r g ed e f o r m a t i o n a m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np m b l e m w a sp r o p o s e dw i t hc o n s t r a i n t sa sh o n e y c o m bc o r es t r u c t u r ea n ds t i f f n e s s a n d 讹 d e s i g nv a r i a b l e sa st o p o l o g i c a lc o n f i g u r a t i o no fh o n e y c o m bs t r u c t u r e d e f o n n a t i o n s i z ea n de t c g e n e t i ca l g o r i t h ma n dp a r t i c l es w a m o p t i m i z a t i o nw a sa p p l i e dt ot h e m u l t i 0 b j e c f i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e mo fc o n c a v eh e x a g o n a l h o n e y c o m bc o r e s t r u c t u r e f i n a l l y t h eh o n e y c o m bc o r es t r u c t u r ep a r a m e t e r sw e r ed r a w nt os a t i s f yt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n do p t i m i z a t i o no b j e c t i v e a n dp r o v i d ear e 蠡 r a n c ef b rt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h eh o n e y c o m bc o r es t r u c t u r e l a s tb u tn o tt h el e a s t t os t u d yt h ee q u i v a l e n te l a s t i cm o d u l u so f v a i l a t i o no f p a r a m e t e r sa n dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h et h e o r e t i c a lo fc o n c a v eh e x a g o n a l h o n e y c o m bc o r es t r u c t u r e a n s y ss i m u l a t i o no nc o n c a v eh e x a g o n a lh o n e y c o m b c o r es t r u c t u r em o d e lw a su s e dt oa n a l y z ei t sd e f o r m a t i o na n de q u i v a l e n te l a s t i c m o d u l u sw i t hv a r i a t i o no ff o r c ea n ds i z ep a r a m e t e r s t w os e t so fc o n c a v e h e x a g o n a l h o n e y c o m bc o r es t r u c t u r em o d e lo fd i f f e r e n tt h i c k n e s stw e r em a d eo f a c r y l i cb o a r d m e c h a n i c a le x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e dt oa n a l y z et h ed e f o r m a t i o na n d e q u i v a l e n t e l a s t i cm o d u l u sw i t hv a r i a t i o no ff o r c ea n ds i z ep a r a m e t e r s t h e c o m p a r i s o nr e s u i to f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t sa b o u t c o n c a v eh e x a g 衄a 1 h o n e y c o m bc o r es t r u c t u r e s h o w st h a tt h ed e f o r m a t i o na m o u n ta m p l i f i e sw i t ht h e i n c r e a s eo ff o r c e a n dw i t ht h ed e c r e a s eo f p a r a m e t e rt b w h i l et h ee q u i v a l e n te l a s t i c m o d u l u sa m p l i f i e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp a r a m e t e rt b t h er e s u l t so ft h e 廿1 r e e a n a l y s i sm e t h o d sc a l lb er e g a r d sa sc o n s i s t e n tw i t h i nt h ee r r o rr a n g e k e yw o r d s h o n e y c o m bs t r u c t u r e n e g a t i v ep o i s s o n sr a t i o e l a s t i cm o d u l u s o p t i m i z a t i o nd e s i g na n s y se x p e r i m e n t s i v 目录 目录 第1 章绪论 l 1 1 研究背景及目的 1 1 2 智能变形飞行器 l 1 2 1 智能变形飞行器概念 1 1 2 2 智能变形飞行器研究现状 2 1 3 自适应机翼 4 1 3 1自适应机翼概念 4 1 3 2自适应机翼研究现状 5 1 4 蜂窝芯结构 6 1 4 1 蜂窝芯结构特性 6 1 4 2 蜂窝芯结构的应用前景 7 1 5 论文主要内容 9 第2 章负泊松比蜂窝芯结构理论分析 1 1 2 1 蜂窝芯结构的分类与现状 1 1 2 1 1 蜂窝芯结构的分类 1 1 2 1 2 蜂窝芯结构的研究现状 1 2 2 2 负泊松比蜂窝芯结构的弹性模量分析 1 7 2 2 1内凹六边形蜂窝芯结构弹性模量分析 1 7 2 2 2 星形蜂窝芯结构弹性模量分析 2 0 2 3 负泊松比蜂窝芯结构的剪切模量分析 2 4 2 4 本章小结 2 5 第3 章蜂窝芯结构多目标优化 2 7 3 1 内凹六边形结构优化设计提出 2 7 3 1 1内凹六边形结构目标函数 2 8 3 1 2 内凹六边形结构等效弹性参数随参数变化规律 3 0 v 目录 3 2 基于遗传算法的多目标优化 3 l 3 2 1 遗传算法 3 1 3 2 2 遗传算法多目标优化 3 3 3 3 基于粒子群算法的多目标优化 3 5 3 3 1 粒子群算法 3 5 3 3 2 粒子群算法多目标优化 3 7 3 4 两种算法优化结果比较 3 8 3 5 本章小结 3 9 第4 章蜂窝芯结构的仿真与实验研究 4 l 4 1 蜂窝芯结构a n s y s 仿真分析 4 l 4 1 1a n s y s 建模仿真 4 l 4 1 2 仿真结果分析 4 3 4 2 蜂窝芯结构实验分析 4 4 4 2 1 蜂窝芯结构力学特性实验 4 4 4 2 2 实验结果分析 4 6 4 3 理论 仿真及实验比较分析 4 7 4 4 本章小结 4 8 第5 章总结与展望 4 9 5 1 总结 4 9 5 2 展望 5 0 参考文献 5 1 致谢 5 5 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果 5 6 v i 第1 章绪论 1 1 研究背景及目的 第1 章绪论 现代飞行器在大变化飞行环境中继续保持人们所期待的优良飞行性能的要 求对飞行器的发展提出了新的要求 人们从鸟类飞行得到启发 提出了 智能 变形飞行器 概念 因此 智能变形飞行器 成为当前学术界和航空领域研究 的热点 l 弓 相比于传统的飞行器蒙皮结构 智能变形飞行器 对飞行器蒙皮提 出的新要求是在特定方向上能产生实现智能变形飞行器所需的变形 在不需要 变形的方向上有足够的强度和刚度承载外界气动载荷 所以可变形蒙皮结构的 设计与飞行器可变形结构是紧密联系在一起的 如何设计可变形蒙皮结构 使之既能在特定方向上连续光滑变形 又能在 其余方向上有足够刚度和强度以承受气动载荷 一直是智能变形飞行器研究领 域的热点和难点问题 4 5 1 蒙皮结构之前的研究集中为整体式蒙皮和壁板结构 6 8 和阵列式结构 9 l o 这些结构的缺点是很难协调变形量与强度和刚度 因此综合 考虑后只能实现小变形的蒙皮结构 不能达到大变形蒙皮的要求 国家自然科学基金项目 超弹性蒙皮结构的变形机制与优化设计研究 即 基于智能变形飞行器的发展要求 综合比较蜂窝芯结构与传统结构的优缺点 提出由蜂窝芯结构来实现超弹性蒙皮变形 最终实现智能变形飞行器 本论文 来源于此课题 基于g i b s o n 公式及e u l e r 梁理论 参考正泊松比蜂窝芯结构分 析及现有的负泊松比蜂窝芯结构分析 推导出了内凹六边形蜂窝芯结构及星形 结构的等效模量公式 运用遗传算法及粒子群算法分别对内凹六边形蜂窝芯结 构进行了多目标优化 对内凹六边形蜂窝芯结构进行a n s y s 仿真分析及力学 性能实验 得出其变形量 等效弹性模量随受力及尺寸参数变化规律 为今后 蜂窝芯结构的设计 多目标优化及工程实用化提供理论参考 1 2 智能变形飞行器 1 2 1 智能变形飞行器概念 人们从鸟类飞行得到启发 提出了 智能变形飞行器 概念 随着社会的 不断进步 科技的不断发展 人们对于飞行器的要求也越来越高 希望飞行器 第1 章绪论 适应更大变化的飞行环境 环境的多变也要求飞行器能自主适应外界环境来调 整飞行姿态 所以人们的目标是设计一种能通过自身自主变形来适应外界多变 环境的自主变形飞行器 l 飞行器的发展给人类提出了新的要求 人们从鸟类的飞翔中得到启发 鸟 类飞行相比于传统飞行器 可以根据外界不断变化的环境改变其翅膀形状来获 得最适应复杂环境的飞行姿态 12 1 如图1 1 所示为猎鹰在不同速度环境下的翅 膀形状 在低速时 猎鹰会在高空滑翔和盘旋 当其发现猎物时 就会改变翅 膀形状 这时其飞行速度也随之改变 以高速俯冲从而捕获猎物 在此过程中 猎鹰是根据环境的变化来自主改变翅膀形状来实现最优飞行姿态 自然界很多 昆虫在不断进化过程中也拥有了很强的自主变形适应多变环境的能力 因此 人们从飞禽类得到启发 可以在传统飞行器的基础上设计智能变形飞行器 使 之能在大范围变化的环境中通过自主改变自身几何外形来实现最优飞行姿态 从而适应外界大范围变化的环境 4 j 图1 1 猎鹰在不同飞行速度下的飞行形态 1 2 2 智能变形飞行器研究现状 飞行器发展历史中 早在1 9 1 6 年就有了可改变几何形状的机翼专利技术 适用范围是飞行器任何部位 例如 机身 机翼 发动机和尾翼 n a s a 工程师h f p a r k e r 成为了这个领域的鼻祖 早在1 9 2 0 年就设计出了 一种光滑变弯度机翼结构 如图1 2 所示 该机翼设计独特之处是采用可滑动 柔性梁来实现变形效果 飞行器低速飞行时 机翼根据所受气动力而产生变形 从而实现低速状态下的高飞行性能 高速时 飞机具有飞行所需的升力 因此 机翼在这种情况下不产生变形 这种独特的机翼设计还可以缩短起飞和着陆距 副13 1 2 第1 章绪论 a 变弯度机翼设计图 b 变形机翼矢量受力图 图1 2 光滑变弯度机翼 如图1 3 a 所示 1 9 3 7 年 g i b a k a s h a e v 设计出的r k 伸缩机翼 该机翼 通过其机翼结构的伸缩变形来改变整个机翼结构的面积 变化量高达4 4 1 9 4 1 年 b a k a s h a e v 设计了改进型的r k 1 如图1 3 b 所示 相比于之前的r k 机翼 r k 1 改进之处是机翼上能产生变形的伸缩机构更多 通过所布置伸缩机构的变 形 可改变机翼面积1 3 5 1 3 a r k b r k 1 图1 3 伸缩机翼飞行器 如图l 4 所示为j a y a n t hk u d v a 等设计的翼尖变形机翼 该机翼的设计有三 个特点 机翼扭曲 无铰链 仰角控制面 翼面扭曲是通过s m a 管来实现的 在机翼尾部 通过翼尖的上下弯曲可实现机翼的变形 ts 撇t o r c h j e t u b e s a b 图1 4 翼尖变形机翼 如图1 5 所示为m u j a h i d a b d u l r a h i m 设计的 海鸥型 机翼 图1 5 a 所示 为机翼正变形范围可以达到3 0 图1 5 b 所示为机翼负变形范围可以达到 2 0 该机翼相比于其他翼面其变形速度比较慢 实现整个变化范围大概1 0 秒 3 第1 章绪论 因此仅适用于过渡模式 缓慢的变形速度减少了暂态行为的研究 囊乒 专鞋 妒璧方萄赣氐 妒 学 一 a 正变形 b 负变形 图1 5 机翼扭曲l l 行器 n a s a 于1 9 8 5 年至1 9 9 2 年 发起了主动柔性机翼 a c t i v ef l e x i b l ew i n g 简称a f m 研究计划 1 4 该研究计划最终验证了其技术已经达到了可以应用于 实际飞行器的程度 1 9 9 6 年 多个研究机构又发起了主动气动弹性机翼 a c t i v e a e r o e l a s t i cw i n g 简称a a w 的飞行试验研究 巧j 该项目是在a f w 技术的基 础上进行深入研究 从而使a f w 技术发展到了工程应用的地步 a a w 项目是在美国空军支持下 由多个研究机构共同承担的 该项目进行 了多次反复试验 a a w 的试验机之一为19 7 4 年g e n e r a ld y n a m i c s 设计的f 16 如图1 6 a 所示 f 1 6 机翼应用a a w 进行实验后 导致其重量降低了2 0 然而在高速下其控制效能可提高1 0 a a w 的另一试验机为f a 1 8 如图1 6 b 所示 其结构重量下降了4 8 扭转刚度可以降低4 0 机翼前沿的变化范围 可达到向上1 0 向下3 4 使得f a 1 8 具有更好的滚转效果 l 5 1 a f 1 6 1 3自适应机翼 1 3 1自适应机翼概念 图1 6 机翼扭曲飞行器 飞行器的发展自诞生之日起就没有停止过 随着社会进步和技术的发展 人们对飞行器的要求也在不断改变 从传统的飞行器要求其能根据外界变化环 境自主变形从而保持最优的飞行姿态 智能变形飞行器 被提出 在其发展过 程中 提出了很多实现自主变形的方法 其中通过机翼变形来实现引起了人们 4 第1 章绪论 研究的最大关注 自适应机翼 也称为 智能机翼 指的是飞行器在飞行过 程中机翼形状随环境而自主变化 使得飞行器适应外界环境的变化 获得最优 的飞行姿态 从而满足人们对飞行器越来越高的要求 因此自适应机翼是未来 柔性变形机翼研究的基础 飞行器设计中 通过设计增升装置来延迟其失速的发生 由于随着飞行器 的不断发展 其飞行速度也在不断提高 传统的单面翼已经无法满足要求 因 此多面翼得到了充分发展 飞行器机翼的作用是产生升力 从而克服飞行器自 身重量使得飞行器能正常飞行 机翼是由多个部分组成的 每个部分都对飞行 器的性能有着至关重要的作用 鉴于机翼在飞行器飞行中的重要作用 设计飞行器机翼需要考虑的问题很 多 而且各种飞行器应用场合 所适用的环境不一样 其机翼设计也会有所不 同 机翼的设计除了要求其有良好的气动特性 实现预设功能外 还需考虑其 承载所需的强度和刚度 且使得重量尽量轻 从而减轻整个飞行器的重量 自适应机翼技术具有以下优点 1 能提高飞行器的升阻比 减少油耗 从提高而飞行器飞行效率 2 使得对飞行器的操控反应更快 因此使得对高速飞行器的操作得以实现 3 很大程度上缓解了失速问题 减少颤振 提高飞行器飞行性能 1 3 2 自适应机翼研究现状 自适应机翼成为国内外研究热点后获得了长足的发展 按其驱动方式可分 为两大类 电机驱动和智能材料驱动 传统的自适应机翼变形基本是通过电机 驱动实现的 因此已经发展较成熟 智能材料驱动是在智能材料发展的基础上 引出的 因此其发展跟智能材料的发展息息相关 属于新的驱动方式 如图1 7 所示为近年来开展的 智能机翼 项目 1 6 q 9 该项目与传统的机 翼变形有所不同 其通过内部布置的驱动器来带动机翼实现所需要的变形 改 变机翼附件气流的流场 从而提高飞行器气动特性 5 第1 章绪论 m o d e l w i n gs p a n 一9 f t 4 i n i t e s t 2 a n d l e t e s t l 图1 7 美国s m a r t w i n g 模型 如图1 8 a 所示为一种采用s m a s h a p em e m o r ya l l o y 丝作为驱动器的 自适应机翼模型 2 0 1 该模型中在前缘附件布置了8 根s m a 丝 依靠这8 根s m a 丝产生的拉力来提供使机翼变形所需要的力 理论上 该模型能使得翼尖变形 达到6 m m 如图1 8 b 所示 加工了实体模型进行了风洞实验 结果表明该模 型翼尖最大能产生1 英寸的弯曲变形 a 风洞实验模型 b 机翼变形前后状态 图1 8s m a 驱动变形机翼 自适应机翼虽然在今年发展迅速 可是还是不能满足智能变形飞行器对机 翼越来越高的要求 而且还存在很多难点有待解决 因此 有必要对自适应机 翼进行更深入 更系统的研究 1 4 蜂窝芯结构 1 4 1 蜂窝芯结构特性 6 第1 章绪论 从机翼的发展历史来看 机翼变形可以通过很多方法来实现 蜂窝芯结构 因其特有的优点成为今年来研究的热点 蜂窝芯结构之所以能在今年成为飞行 器研究领域的新热点 正是因为其相比于其它结构具有质量轻 比强度和比刚 度高等优点 蜂窝芯结构在某个方向上能产生大变形 在其余方向上可以达到 足够的强度和刚度 这跟机翼设计的功能要求是相契合的 因此可以通过设计 不同形状 不同尺寸的蜂窝芯结构来实现机翼变形 这也是蜂窝芯结构设计所 包括的主要内容 对蜂窝芯结构进行深入研究的一大原因是其能产生大变形 其变形可分为 两类 共面变形和异面变形 蜂窝芯结构设计的要求是其共面变形尽量大 即 等效弹性模量尽量小 而不需要其产生太大的异面变形 即异面等效弹性模量 尽量大 上述即为蜂窝芯结构所特有的优点 如图1 9 所示为金属蜂窝芯结构 共面变形应力 应变曲线 2 1 1 正应力对应蜂窝芯结构受拉伸产生正应变 负应力 对应其受压缩产生压应变 图中所示线弹性变形区间即为所需的蜂窝芯结构工 作区间 j 甲一 b 餐 4 0 应魏 l r 图1 9 蜂窝芯结构的共面应力一应变曲线 1 4 2 蜂窝芯结构的应用前景 蜂窝芯结构具有大变形 高强度和刚度 质量轻等优点 飞行器机翼新的 技术是由超弹性蒙皮构成的 通过超弹性蒙皮来实现飞行器机翼所需的功能 因此对超弹性蒙皮的要求是 在特定方向上能产生较大变形 即共面刚度尽量 小 同时可以减少能量消耗 在不需要变形的方向上要有足够的强度和刚度 即异面刚度和强度要尽量高 以承受外界对机翼的气动力 结构质量轻 从而 便于控制 减少能量消耗 如图1 1 0 所示为蜂窝芯结构应用于飞行器机翼 2 2 1 图1 1 0 a 所示为蜂窝芯 7 第1 章绪论 阵列单元在机翼模型中的布局情况 图1 lo b 所示为由蜂窝芯结构外面覆盖蒙 皮后所构成的机翼模型示意图 a 蜂窝芯结构布局 b 机翼结构 图1 1 0 蜂窝芯结构机翼 智能变形飞行器的研究是一项富有创造性的工作 是今年来才发展起来的 研究热点问题 其涉及的学科和所需的知识面很广 因此是目前的一个研究难 点问题 不过鉴于人们对飞行器要求的迅速提高 很有必要对智能变形飞行器 进行深入 系统的研究 以期实现人们所期待的能适应大范围变化环境的智能 变形飞行器 如图1 1 1 所示为n a s a 对未来智能变形飞行器的预期 图1 1 1 智能变形乜行器 随着国外对智能变形飞行器研究的不断投入 国内很多科研机构也不甘落 后 同样在不断的增大在这个领域的研究力度 我们坚信 通过领域中学者的 共同努力 在不远的将来 智能变形飞行器将会得到充分的发展 满足人们对 飞行器的要求 真正实现在复杂多变的外界环境中做到自适应地做出自主变形 获得最优飞行姿态 8 第1 章绪论 1 5 论文主要内容 本文课题支持为国家自然科学基金项目 超弹性蒙皮结构的变形机制与优 化设计研究 基于g i b s o n 公式及e u l e r 梁理论 参考正泊松比蜂窝芯结构分析 及现有的负泊松比蜂窝芯结构分析 将蜂窝芯壁板的拉伸压缩变形视为不可忽 略 推导出了计算内凹六边形蜂窝芯结构力学特性参数的修正公式 使得力学 特性参数的理论计算更加接近实际 并推导了星形结构的力学特性理论公式 运用遗传算法和粒子群算法对内凹六边形结构尺寸参数进行了多目标优化设 计 为蜂窝芯结构的设计与多目标优化打下基础 通过a n s y s 对负泊松比蜂 窝芯结构模型进行了仿真分析 并加工模型进行了力学性能实验 验证了理论 公式的可行性 为蜂窝芯结构的工程实用化提供依据 论文各章具体安排如下 第一章绪论 对现阶段国内外对于智能变形飞行器 可变形蒙皮结构及正 负 零泊松比蜂窝芯结构发展现状的研究 提出由蜂窝芯结构来实现超弹性蒙 皮结构 指出蜂窝芯结构亟待解决的问题及其现状 给出了本论文的研究内容 和结构 第二章为具有负泊松比特性结构的理论分析 基于g i b s o n 公式及e u l e r 梁 理论 对于具有负泊松比特性的内凹六边形蜂窝芯结构 参考现有正 负泊松 比蜂窝芯结构分析 将蜂窝芯壁板的拉伸压缩变形视为不可忽略 推导出了其 等效模量的修正公式 对于同样具有负泊松比特性的星形结构 推导出了其等 效模量公式 为蜂窝芯结构的研究提供理论基础 第三章为负泊松比蜂窝芯结构的多目标优化 在第二章对负泊松比蜂窝芯 结构理论分析的基础上 为满足超弹性蒙皮产生大变形的要求 同时又要达到 足够的强度和刚度 基于上诉的要求提出了蜂窝芯结构尺寸参数的多目标优化 闯题 运用遗传算法和粒子群算法分别对内凹六边形蜂窝芯结构进行了多目标 优化 得出满足边界条件及优化目标的蜂窝芯结构参数尺寸 为蜂窝芯结构的 大变形 高强度和刚度设计提供参考 第四章为a n s y s 仿真及实验 为研究内凹六边形蜂窝芯结构等效弹性模 量随参数的变化规律 同时验证理论公式的可行性 通过a n s y s 对其进行仿 真 分析其变形量 等效弹性模量随受力及尺寸参数变化规律 用亚克力板加 工两套不同厚度t 的内凹六边形蜂窝芯结构模型 进行了力学性能实验 得出 变形量 等效弹性模量随受力及尺寸参数变化规律 并与理论计算进行比较分 析 第五章为总结与展望 对负泊松比蜂窝芯结构的理论分析 多目标优化 a n s y s 仿真及实验研究进行总结 并对下一步研究工作进行展望 9 第1 章绪论 l o 第2 章负泊松比蜂窝芯结构理论分析 第2 章负泊松 匕蜂窝芯结构理论分析 智能变形飞行器的发展要求机翼蒙皮结构在产生大变形的同时还能承受外 界的启动压力 因此可变形蒙皮结构对于智能变形飞行器的实现有着举足轻重 的作用 而可变形蒙皮结构可以通过很多种结构来实现其功能 比如采用特殊 结构或者功能材料来实现 但是 可变形蒙皮结构的研究现状还不能满足机翼 结构的需求 因此 基于这种需求对其进行更深入的研究 蜂窝芯结构因其特 有的优点已经在今年成为航空领域研究的热点 然而目前国内外对于蜂窝芯结 构应用于超弹性蒙皮的研究均处于初步阶段 因此 很有必要对蜂窝芯结构的 构型 变形特性继续进行研究 为其设计与工程实用化提供理论依据 本章基于g i b s o n 公式及e u l e r 梁理论 对于具有负泊松比特性的内凹六边 形蜂窝芯结构 参考现有正 负泊松比蜂窝芯结构分析 将蜂窝芯壁板的拉伸 压缩变形视为不可忽略 推导出了其等效模量的修正公式 对于同样具有负泊 松比特性的星形结构 推导出了其等效模量公式 为蜂窝芯结构的研究提供理 论基础 2 1蜂窝芯结构的分类与现状 2 1 1蜂窝芯结构的分类 蜂窝芯结构根据其所具有的泊松比来分类 可以分为 正泊松比 零泊松 比和负泊松比结构 图2 1 a 所示为泊松比为正值的六边形蜂窝芯结构 该结构面内刚度很低 能产生较大变形 异面有一定的刚度和强度 并且一个方向产生拉伸变形时 另一个方向产生收缩变形 因此具有正泊松比特性 图2 1 b 所示为泊松比为 负值的六边形蜂窝芯结构 该结构同样能在特定方向上产生大变形 而在不需 要变形的方向上有足够的强度和刚度 与