CN102745324B - 一种柔性蒙皮 - Google Patents
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Abstract
一种柔性蒙皮，由若干个手风琴式蜂窝单元、若干个格架式蜂窝单元和面板组成。将所述的手风琴式蜂窝单元与格架式蜂窝单元交替排列至设计尺寸，形成蜂窝夹芯结构；将面板分别覆盖并粘接在蜂窝夹芯结构的上表面和下表面。手风琴式蜂窝单元表现出沿弦向连续大变形的能力，同时具有弦向翼型弯度变化的能力，能产生较大扭转角，并改变机翼的迎角；沿翼展方向布置的格架式蜂窝单元能够显著增大沿翼展方向的抗弯能力，承受离面气动载荷本发明在相同翼型、相同翼展和相同离面载荷情况下，通过杂交蜂窝夹芯结构可在保证面内拉伸模量的情况下，增加了一个量级的抗弯模量，从而有效增加变形机翼承载能力，有助于增加变体飞机起飞重量和有效载荷及升限。
Description
技术领域
本发明涉及航空、航天、材料制备等领域，具体是一种可用于变体飞行器机翼蒙皮的低面内拉伸模量、高抗弯模量，能够承受大变形的新型杂交蜂窝和柔性面板组合而成的三夹层蒙皮结构。
背景技术
蜂窝夹芯结构自发明以来，广泛地应用于建筑、桥梁、飞行器等各种军用和民用领域。早期蜂窝夹芯结构大多由铝合金或轻质材料加工制作而成，主要作为一种填充材料，减轻结构重量。蜂窝结构发明之初，价格昂贵，因此主要用于航空航天领域，一般作为飞机机翼等结构部件的填充材料。随着制造工业和技术的发展，纸制蜂窝板材料也开始出现。近些年，蜂窝夹芯材料的生产、应用在西方国家发展很快，尤其是英国、荷兰等材料科技发达的国家。蜂窝结构具有产品质量稳定，重量轻，承载能力强，特别是在承受剪应力、弯矩和扭矩等方面具有非常好的性能。此外，为满足不同工程应用场合的需求，蜂窝单元的空间分布，壁厚和空洞大小等均可作为设计参数进行设计，因而蜂窝夹芯结构的性能具有可设计性。
蜂窝夹芯结构还可以广泛地应用于包装运输、建筑隔音等领域。目前广泛使用的聚苯乙烯泡沫塑料，会造成严重的白色污染，正在被环保的新型材料代替。纸质蜂窝可以通过改变蜂窝结构的高度、壁厚和孔洞大小，在保证缓冲吸能效果的同时，减少了环境污染。另外，通过特殊的处理蜂窝夹芯材料可以起到阻燃、防潮，可作为复合墙体和活动板房等建筑材料，以代替木材和粘土。
随着航空器的发展，对柔性蒙皮的研制变得日益迫切，尤其对于变体飞行器（morphing aircraft）来说，柔性蒙皮是一项亟待解决的关键技术。而蜂窝结构具有比重小，刚度、强度大，变形能力大等特点，吸引了科学家的视线。但是大部分蜂窝结构夹芯材料都是采用常规的正六边形蜂窝，其变形能力仍然有限，无法满足变体飞行器的要求。这主要是由于面向多任务的变体飞行器要求柔性蒙皮具备以下基本特点：
（1）低的面内拉伸模量以实现小的输入能量即可获得所需变形；
（2）高的离面抗弯模量以承受气动载荷；
（3）零泊松比特性，即沿翼展方向拉伸时，弦向不发生收缩，以减小机翼内部结构的复杂度。
基于上述变体飞机柔性蒙皮的基本性能要求及传统的铝合金等金属蒙皮无法满足上述要求的现状，国外K.R.Olympio和F.Gandhi等人于2007年4月在AIAA会议上提出了具有零泊松比特性的手风琴式（Accordion）蜂窝结构，该蜂窝结构由壁板间交替夹杂“人”形的斜壁板构成（见附图1），实现了低面内拉伸模量和零泊松比特性，即当飞机外形需发生大改变时，只要较小的驱动力即可。当今应用最广泛的都是正六面体蜂窝，一般作为填充材料。正六面体蜂窝尽管面内模量较小，但其泊松比并不为零，某一方向发生形变的同时另一方向会发生变形，因而对变体飞机内部结构提出了较高的要求，导致在变体飞机上的应用受到了限制。国内的专利文献中，很大一部分只是将蜂窝结构作为一种辅助性结构材料使用，如撞击吸能，隔热防火等，鲜有将其作为一种结构承力构件使用。
发明内容
为克服现有技术中存在的变形能力仍然有限的柔度不足问题，本发明提出了一种柔性蒙皮。
本发明所提出的柔性蒙皮由若干个手风琴式蜂窝单元、若干个格架式蜂窝单元和上下面板组成。将所述的手风琴式蜂窝单元与格架式蜂窝单元交替排列至设计尺寸，形成蜂窝夹芯结构；将面板分别覆盖并粘接在蜂窝夹芯结构的上表面和下表面。
所述手风琴式蜂窝单元的高度与格架式蜂窝单元的高度相同。所述手风琴式蜂窝单元的宽度与格架式蜂窝单元的宽度之比为1/3～3。
所述手风琴式蜂窝单元两侧侧壁长度方向中心处的距离为该手风琴式蜂窝单元宽度的1/5～3/4，使手风琴式蜂窝单元两侧侧壁分别形成2个斜壁；该斜壁与水平面之间形成倾角θ，所述的倾角θ为60°～15°。
格架式蜂窝单元包括3个直壁和4个斜壁，并且4个斜壁分为2组，分别位于3个直壁之间的中部，构成2个对称于中间直壁的平行四边形。该平行四边形的内角β为75°～30°。
本发明根据手风琴式蜂窝单元零泊松比蜂窝的低面内拉伸模量和格架式蜂窝单元较高的抗弯模量的特点，将手风琴式的零泊松比蜂窝单元和格架式蜂窝单元交替排列，组合后得到所述的蜂窝夹芯结构。
本发明中的格架式蜂窝单元结构由3个直壁与4个斜壁组合成两个倾斜的平行四边形，使该格架式蜂窝单元结构在不增加面内模量的情况下，能够显著增加蜂窝板的离面抗弯模量。
本发明通过改变手风琴式蜂窝单元和格架式蜂窝单元的特征尺寸而改变蒙皮的柔度和抗弯模量，实现了蒙皮的柔性可设计。通过改变手风琴式蜂窝单元的壁厚t、宽度h、斜壁长度l、角度θ和蜂窝高度b1，格架式蜂窝单元的深度d、平行四边形直壁边的边长H和角度β，能够获得所需面内拉伸模量和足够的离面抗弯刚度，避免了因柔性面板的拉伸模量与蜂窝夹芯材料模量不一致而产生的内应力，使得柔性蒙皮在飞机变形过程中表面更加光滑，能进一步增强升力面表面光顺性，有助于进一步降低摩擦阻力和改善机翼环量分布诱导阻力。
本发明中，为达到在保证面内低拉伸模量和零泊松比特性的同时，显著地提高其离面抗弯模量的目的，将两种不同结构的蜂窝单元组合成为蜂窝夹芯结构，并采用柔性蒙皮。通过手风琴式蜂窝单元实现受载时在弦向与展向变形的独立性（即弦向发生形变时，展向无显著变形；反之，在展向发生形变时，弦向也不会产生显著的变形）；通过格架式蜂窝单元实现在弦向上受拉伸载荷时，在离面方向上无明显变形。手风琴式蜂窝单元表现出沿弦向连续大变形的能力，同时具有弦向翼型弯度变化的能力，能产生较大扭转角，并改变机翼的迎角；沿翼展方向布置的格架式蜂窝单元能够显著增大沿翼展方向的抗弯能力，承受离面气动载荷，有效维持机翼形状，并有助于抑制操纵面反效现象。该杂交蜂窝结构具有超大变形、质量轻、结构简单和效率高的特点。
本发明与现有技术相比，在相同翼型、相同翼展和相同离面载荷情况下，通过杂交蜂窝夹芯结构可在保证面内拉伸模量的情况下，增加约一个量级的抗弯模量，从而有效增加变形机翼承载能力，有助于增加变体飞机起飞重量、有效载荷及升限。
本发明中，两种蜂窝单元的数量、组合形式和蜂窝单元外形尺寸均能够根据设计要求变化，以适于总体、气动和结构的综合优化设计。
本发明基于国外K.R.Olympio等人提出的手风琴式蜂窝，并针对该手风琴式蜂窝存在的离面抗弯刚度过小，不足以承受气动载荷，因而不能在实际情况中使用的不足进行了改进，使其在面内保持低面内模量的同时，显著地增加了离面抗弯模量以承受气动载荷。本发明能够改善抗弯能力的原因主要是在手风琴式蜂窝嵌入进了格架式蜂窝单元：当蒙皮受到法向的气动载荷时，格架式蜂窝的斜壁板起到了相互掣肘的作用，限制了其直壁板之间分离，因而起到了增加抗弯模量的效果，同时由于其拉伸模量与手风琴式蜂窝的弹性模量大致相当，因此也不会显著增加组合后的总体拉伸弹性模量，甚至有所减小。通过对比计算，夹杂入格架式蜂窝后其离面抗弯模量可提高400%以上。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为手风琴式蜂窝单元的结构示意图；其中，图2（a）是手风琴式蜂窝单元的主视图，图2（b）是手风琴式蜂窝单元的俯视图；
图3为格架式蜂窝单元的结构比例示意图；其中，图3（a）是格架式蜂窝单元的轴测图，图3（b）是格架式蜂窝单元的主视图；
图4为两个蜂窝单元组合示意图的俯视图；
图5为两个蜂窝单元组合后的轴测图。图中：
1.面板 2.手风琴式蜂窝单元 3.格架式蜂窝单元
具体实施方式
实施例1
本实施例是一种用于飞机机翼的柔性蜂窝夹芯结构的蒙皮，由若干个手风琴式蜂窝单元2、若干个格架式蜂窝单元3和面板1组成。
所述手风琴式蜂窝单元2为两侧侧壁向内收缩的矩形壳体，该手风琴式蜂窝单元2两侧侧壁长度方向中心处的距离为该手风琴式蜂窝单元2宽度的1/5～3/4，使手风琴式蜂窝单元2两侧侧壁分别形成2个斜壁l。该斜壁与水平面之间形成倾角θ，所述的倾角θ为60°～15°。本实施例中，手风琴式蜂窝单元2两侧侧壁长度方向中心处的距离为6mm，该手风琴式蜂窝单元2宽度h为10mm，是该手风琴式蜂窝单元2宽度的3/5；斜壁与水平面之间的倾角θ为20°；手风琴式蜂窝单元2的高度b1为16mm。
格架式蜂窝单元3包括3个直壁和4个斜壁，并且4个斜壁分为2组，分别位于3个直壁之间的中部，构成2个对称于中间直壁的平行四边形。该平行四边形的内角β为75°～30°。格架式蜂窝单元与手风琴式蜂窝单元的宽度比可在1/3～3范围内变化。
本实施例中，所述3个直壁的高度b2均为16mm；所述由直壁和斜壁构成的平行四边形的内角β为67°；所述平行四边形直壁边的边长H为8mm。格架式蜂窝单元3中3个直壁的宽度d均为12mm。
所述手风琴式蜂窝单元2的高度与格架式蜂窝单元3的高度相同。所述手风琴式蜂窝单元2的宽度与格架式蜂窝单元3的宽度的比例为5/6。
将所述的手风琴式蜂窝单元2与格架式蜂窝单元3单元交替排列。具体排列方式是将多个格架式蜂窝单元外侧两个直壁的外表面相互粘接成一排。将多个手风琴式蜂窝单元两端壁的侧表面分别与格架式蜂窝单元外侧两个直壁侧表面粘接，形成一排手风琴式蜂窝单元。以此类推，排列至设计尺寸，形成柔性蜂窝夹芯结构。将面板1覆盖在所述柔性蜂窝夹芯结构的上表面和下表面，形成本实施例所述具有蜂窝夹芯结构的柔性蒙皮。
实施例2
本实施例是一种用于飞机机身的柔性蜂窝夹芯的壁板，由若干个手风琴式蜂窝单元2、若干个格架式蜂窝单元3和面板1组成。
所述手风琴式蜂窝单元2为两侧侧壁向内收缩的矩形壳体，该手风琴式蜂窝单元2两侧侧壁长度方向中心处的距离为该手风琴式蜂窝单元2宽度的1/5～3/4，使手风琴式蜂窝单元2两侧侧壁分别形成2个斜壁l。该斜壁与水平面之间形成倾角θ，所述的倾角θ为60°～15°。本实施例中，手风琴式蜂窝单元2两侧侧壁长度方向中心处的距离为7mm，该手风琴式蜂窝单元2宽度h为14mm，使该手风琴式蜂窝单元2宽度的3/5；斜壁与水平面之间的倾角θ为30°；手风琴式蜂窝单元2的高度b1为20mm。
格架式蜂窝单元3包括3个直壁和4个斜壁，并且4个斜壁分为2组，分别位于3个直壁之间的中部，构成2个对称于中间直壁的平行四边形。该平行四边形的内角β为75°～30°。格架式蜂窝单元直壁宽度d与手风琴式蜂窝单元宽度h比为1/3～3。本实施例中，所述3个直壁的高度b2均为20mm；所述由直壁和斜壁构成的平行四边形的内角β为60°；所述平行四边形直壁边的边长H为10mm。格架式蜂窝单元3中3个直壁的宽度d均为10mm。
所述手风琴式蜂窝单元2的高度与格架式蜂窝单元3的高度相同。所述手风琴式蜂窝单元2的宽度与格架式蜂窝单元3的宽度的比例为5/6。
将所述的手风琴式蜂窝单元2与格架式蜂窝单元3单元交替排列。具体排列方式是将多个格架式蜂窝单元外侧两个直壁的外表面相互粘接成一排。将多个手风琴式蜂窝单元两端壁的侧表面分别与格架式蜂窝单元外侧两个直壁侧表面粘接，形成一排手风琴式蜂窝单元。以此类推，排列至设计尺寸，形成柔性蜂窝夹芯结构。将面板1覆盖在所述柔性蜂窝夹芯结构的上表面和下表面，形成本实施例所述具有蜂窝夹芯结构的柔性壁板。
Claims (1)
1.一种柔性蒙皮，其特征在于，由若干个手风琴式蜂窝单元、若干个格架式蜂窝单元组成；将所述的手风琴式蜂窝单元与格架式蜂窝单元交替排列至设计尺寸，形成蜂窝夹芯结构；将面板分别覆盖并粘接在蜂窝夹芯结构的上表面和下表面；
所述手风琴式蜂窝单元的高度与格架式蜂窝单元的高度相同；所述手风琴式蜂窝单元的宽度与格架式蜂窝单元的宽度的比例为1/3～3；所述手风琴式蜂窝单元两侧侧壁长度方向中心处的距离为该手风琴式蜂窝单元宽度的1/5～3/4，使该手风琴式蜂窝单元两侧侧壁分别形成2个斜壁；该斜壁与水平面之间形成倾角θ，所述的倾角θ为60°～15°；格架式蜂窝单元包括3个直壁和4个斜壁，并且4个斜壁分为2组，分别位于3个直壁之间的中部，构成2个对称于中间直壁的平行四边形；该平行四边形的内角β为75°～30°。
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