CN104401497A - 一种用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空结构设计技术领域，涉及一种用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮。所述柔性蒙皮由弹性胶膜和高弹纤维复合而成；所述弹性胶膜作为基体材料，是由橡胶加工而成的、具有一定厚度和弹性的膜状结构；所述高弹纤维作为增强材料，由经向纤维和纬向纤维交叉排布，构成网状结构，并嵌入弹性胶膜的内部；所述高弹纤维可以随弹性胶膜一起变形；所述柔性蒙皮在变形最大时可以达到自适应鼓包进气道的最高型面。本发明使进气道的鼓包型面能够在一定范围内反复改变形状，从而调节进气道的喉道面积，解决了常规鼓包进气道型面不可调节的问题。

Description

一种用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮

技术领域

本发明属于航空结构设计技术领域，涉及一种用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮。

背景技术

先进超音速战斗机具有宽速域、高机动、高隐身能力的特征。为了提高飞机的隐身性能，第四代战斗机普遍采用了三元进气道，例如美国的F-35飞机使用的Bump(鼓包)进气道。但是，这种进气道的三维型面不可调节，只能在设计飞行速度下达到最佳性能，而在非设计点处的性能变差。如果进气道在全飞行包线内都能够保持高性能，将会显著地提高超音速战斗机的飞行性能和作战能力。

自适应鼓包进气道可以根据飞机的飞行速度，自适应地改变进气道鼓包型面的结构形状，从而调节进气道的喉道面积，满足发动机在不同飞行状态下的流量需求，使进气道在大范围飞行速度和攻角下都能够保持良好的气动性能和进发匹配特性，全面提升超音速战斗机的性能。

为了实现鼓包进气道的自适应功能，鼓包型面需要在较大的范围内反复改变形状，同时还需要具备承受进气道气动载荷的能力。在这种情况下，使用常规的金属材料难以达到设计要求，因此采用柔性蒙皮是一种理想的实现途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮，该柔性蒙皮能够在一定范围内反复改变形状，并且具有承受气动载荷的能力。

本发明的技术方案是：一种用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮，所述柔性蒙皮的初始形状与自适应鼓包进气道的基础型面一致，其特征为：所述柔性蒙皮由弹性胶膜和高弹纤维复合而成；所述弹性胶膜作为基体材料，是由橡胶加工而成的、具有一定厚度和弹性的膜状结构，其作用是根据自适应鼓包进气道的设计要求，产生所需要的变形，并维持柔性蒙皮的表面形状；所述高弹纤维作为增强材料，由经向纤维和纬向纤维交叉排布，构成网状结构，并嵌入弹性胶膜的内部；所述高弹纤维可以随弹性胶膜一起变形，其作用是提高柔性蒙皮的刚度，使柔性蒙皮能够承受其表面的气动载荷；所述柔性蒙皮在变形最大时可以达到自适应鼓包进气道的最高型面。

进一步地，所述制造弹性胶膜的橡胶种类可以是硅橡胶、丁腈橡胶等。

进一步地，所述制造高弹纤维的材料可以是尼龙纤维、氨纶纤维等织物纤维、也可以是金属弹簧丝等金属纤维。

进一步地，所述高弹纤维的最大伸长量为20％。

本发明的有益效果是：提供一种用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮，使进气道的鼓包型面能够在一定范围内反复改变形状，从而调节进气道的喉道面积，解决了常规鼓包进气道型面不可调节的问题，使进气道在不同飞行状态下都具有最优的气动性能和进发匹配特性。同时，该柔性蒙皮能够承受进气道的气动载荷，具有良好的工程适用性。

附图说明

图1是自适应鼓包进气道结构示意图；

图2是本发明用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮变形范围示意图；

图3是本发明用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮的一种具体实施方式的主要几何设计参数；

图4是本发明用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮示意图；

其中，1-弹性胶膜、2-高弹纤维、2a-经向纤维、2b-纬向纤维。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

鼓包进气道中的鼓包型面是一个经过气动设计的三维型面，如图1所示。在鼓包型面上，选取一定范围的区域作为鼓包进气道的变形区域。该变形区域的轮廓通常为椭圆形，也可以是圆形或者其它适宜的形状。在变形区域内，使用本发明所述柔性蒙皮附着在鼓包进气道结构原有的金属蒙皮外表面上。在变形区域的边界，使用紧固件连接或胶接的方式将柔性蒙皮固定在鼓包进气道结构上。

柔性蒙皮的初始形状与自适应鼓包进气道的基础型面一致，如图2所示。在飞机的飞行过程中，柔性蒙皮可以根据设计要求产生变形。柔性蒙皮达到最大变形量时的位置即为自适应鼓包进气道的最高型面。此时，柔性蒙皮中的高弹纤维最大伸长量为20％。根据飞机的实际飞行速度，通过自适应鼓包进气道附带的变形驱动装置对柔性蒙皮进行驱动，使柔性蒙皮在基础型面和最高型面之间往复变形，从而调节进气道的喉道面积，实现鼓包进气道的自适应功能。

本发明所述柔性蒙皮的一种具体设计过程包括以下步骤：

1)确定鼓包型面的变形区域

根据自适应鼓包进气道的设计要求，以及进气道喉道面积的变化需求，在鼓包型面上选择适当范围的区域，作为变形区域。

该变形区域为椭圆形轮廓的扁球壳，其主要结构设计参数包括半长轴L1、半短轴L2、最大高度H和厚度t等，如图3所示。

2)确定柔性蒙皮的结构形式和材料

柔性蒙皮由弹性胶膜1和高弹纤维2复合加工而成，其初始构型与鼓包进气道的基础型面一致，也呈扁球壳形状，如图4所示。

柔性蒙皮需要产生较大的面内变形，因此，采用弹性胶膜1作为柔性蒙皮的基体材料。弹性胶膜1是由橡胶材料加工而成的、具有弹性的薄膜状结构。橡胶材料可以是硅橡胶、丁腈橡胶，也可以选择其它能够满足柔性蒙皮变形要求的橡胶。

同时，柔性蒙皮还需要具有足够的面外刚度，在进气道气动载荷的作用下能够保持所需的形状。因此，采用高弹纤维2作为柔性蒙皮的增强材料。沿着椭圆形变形区域短轴方向的经向纤维2a，和沿着长轴方向的纬向纤维2b，通过交叉排布构成网状结构。在弹性胶膜1高温硫化的加工过程中，将高弹纤维2与弹性胶膜1一体成型，从而使高弹纤维2嵌入弹性胶膜1的内部。

高弹纤维2宜选择高弹性模量、高变形率的材料，可以是尼龙纤维、氨纶纤维等织物纤维，或者金属弹簧丝等金属纤维之中的一种或几种。其中，尼龙纤维、氨纶纤维可以是单股形式，也可以是多股纤维缠绕而成的纤维束；金属弹簧丝是平面内弯折状态，单根弹簧丝的直径最大为0.5mm。

3)确定高弹纤维的材料分布和网格密度

柔性蒙皮产生变形时，其位移、应力、应变等力学量主要取决于高弹纤维的材料属性(如弹性模量、泊松比)及排布形式。

高弹纤维的种类也要根据鼓包型面的变形要求和承载要求进行选择。在柔性蒙皮中，不同位置、不同方向的纤维种类可以不同。

初步完成柔性蒙皮的结构设计和材料布置后，采用有限元仿真分析软件Abaqus对柔性蒙皮的变形过程进行分析。

首先，基于鼓包型面的初始形状建立柔性蒙皮的有限元计算模型，在模型中对弹性胶膜和高弹纤维的结构形式和材料属性进行模拟。

柔性蒙皮的变形过程属于大变形力学行为，因此，应当采用非线性算法进行计算。考虑变形驱动装置的驱动载荷和进气道的气动载荷对柔性蒙皮的作用，计算柔性蒙皮从基础型面变形到最高型面过程中的位移、应力、应变等力学量。

柔性蒙皮在变形过程中不应发生破坏。如果计算结果显示柔性蒙皮在某一变形状态下的局部应力过高，表明高弹纤维的强度不足，需要增大高弹纤维的弹性模量。改变局部范围内高弹纤维的种类后，重新进行有限元建模和计算。

柔性蒙皮在变形过程中不应出现局部异常变形。如果计算结果显示柔性蒙皮在载荷的作用下出现局部凸起、塌陷、波纹等变形奇异现象，表明高弹纤维的刚度不足。改变局部范围内高弹纤维的种类并加密高弹纤维的网格密度后，重新进行有限元建模和计算。

经过多次局部调整和迭代计算，确定高弹纤维的网格形状和网格密度，以及不同部位的纤维类型，形成柔性蒙皮的设计方案。

上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但本发明并不局限于上述实施例。在不脱离本发明宗旨的前提下，可以根据具体的设计需求对实施方式做出各种变化。

Claims (4)

1.一种用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮，所述柔性蒙皮的初始形状与自适应鼓包进气道的基础型面一致，其特征为：所述柔性蒙皮由弹性胶膜和高弹纤维复合而成；所述弹性胶膜作为基体材料，是由橡胶加工而成的、具有一定厚度和弹性的膜状结构，其作用是根据自适应鼓包进气道的设计要求，产生所需要的变形，并维持柔性蒙皮的表面形状；所述高弹纤维作为增强材料，由经向纤维和纬向纤维交叉排布，构成网状结构，并嵌入弹性胶膜的内部；所述高弹纤维可以随弹性胶膜一起变形，其作用是提高柔性蒙皮的刚度，使柔性蒙皮能够承受其表面的气动载荷；所述柔性蒙皮在变形最大时可以达到自适应鼓包进气道的最高型面。

2.根据权利要求1所述的柔性蒙皮，其特征还在于：所述制造弹性胶膜的橡胶是硅橡胶或丁腈橡胶。

3.根据权利要求1所述的柔性蒙皮，其特征还在于：所述制造高弹纤维的材料是织物纤维或金属纤维。

4.根据权利要求1所述的柔性蒙皮，其特征还在于：所述高弹纤维的最大伸长量为20％。