CN105864332A - 一种用于柔性蒙皮的金属弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于柔性蒙皮的金属弹簧，涉及柔性蒙皮结构设计领域，能够在保证成本控制的情况下同时满足柔性蒙皮所需要双重特性。本发明包括：在二维平面中，金属弹簧由曲线段和直线段间隔组成，且邻近的两个曲线段之间设置一个直线段，其中，曲线段为椭圆弧曲线；在由金属弹簧组成的纤维增强体中，金属弹簧排列成网格形式，其中，网格经纬向纤维在金属弹簧的直线段处交叉排列。金属弹簧由高弹钢材料制成。本发明适用于自适应鼓包进气道的柔性蒙皮。

Description

一种用于柔性蒙皮的金属弹簧

技术领域

本发明涉及柔性蒙皮结构设计领域，尤其涉及一种用于柔性蒙皮的金属弹簧。

背景技术

目前，在飞行器的设计领域中，自适应鼓包进气道可以根据飞机飞行速度改变进气道鼓包型面的结构形状，调节进气道喉道面积，在很大飞行速度范围内，都能保持良好的气动性能和进发匹配性能，提升高速飞行器的性能。因此自适应鼓包的设计被广泛应用在各种新型高速飞行器中。

为实现自适应进气道的可变形功能，需要鼓包型面采用柔性蒙皮设计。该柔性蒙皮需要满足可以在较大范围内改变形状，且能承受很大变形、具有足够的强度的双重特性，同时为了能够大规模生产，还需具有足够的经济性，成本也不能太高。但目前可用的经济型的柔性复合材料中，或是弹性变形大但抗拉伸强度不够，如高分子材料纤维；或是抗拉伸强度大但弹性变形不够，例如碳纤维或玻璃纤维，都难以在保证成本控制的情况下同时满足柔性蒙皮所需要双重特性。

发明内容

本发明的实施例提供一种用于柔性蒙皮的金属弹簧，能够在保证成本控制的情况下同时满足柔性蒙皮所需要双重特性。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

在二维平面中，金属弹簧由曲线段和直线段间隔组成，且邻近的两个曲线段之间设置一个直线段，其中，曲线段为椭圆弧曲线；在由金属弹簧组成的纤维增强体中，金属弹簧排列成网格形式，其中，网格经纬向纤维在金属弹簧的直线段处交叉排列。金属弹簧由高弹钢材料制成。

其中，网格经纬向纤维在金属弹簧的直线段处的交叉接触点通过焊接固定。或者网格经纬向纤维在金属弹簧的直线段处的交叉接触点通过绕丝固定，其中，用于固定的绕丝的截面直径小于等于组成纤维增强体的金属弹簧的截面直径。

所述纤维增强体的网格大小匹配柔性蒙皮的变形和面内承载能力，组成纤维增强体的金属弹簧的弹簧波长符合所述纤维增强体的网格大小与匹配柔性蒙皮的变形和面内承载能力的匹配关系，用于表示匹配关系的弹性变形能力参数为其中，弹簧总长L，波数n，椭圆弧曲线段的短半轴长a、长半轴长b、直线段长度l。

金属弹簧的拉伸刚度符合其中，K表示拉伸刚度，F表示极限承载力和ΔL表示弹性变形量。

且在优选方案中：组成纤维增强体的金属弹簧的截面直径为1mm,椭圆弧曲线段的短半轴2.5mm长半轴为5mm。或者组成纤维增强体的金属弹簧的截面直径为1.26mm，椭圆弧曲线段的短半轴3mm长半轴为5mm。

本发明实施例提供的用于柔性蒙皮的金属弹簧，在二维平面中，金属弹簧由曲线段和直线段间隔组成，且邻近的两个曲线段之间设置一个直线段，其中，曲线段为椭圆弧曲线。在由金属弹簧组成的纤维增强体中，金属弹簧排列成网格形式，其中，网格经纬向纤维在金属弹簧的直线段处交叉排列。根据如表1-3所示的实验结果，该金属弹簧作为柔性复合材料蒙皮的增强纤维，解决了柔性复合材料蒙皮面内变形大、承载高的问题，为自适应鼓包进气道的柔性蒙皮设计提供了一种满足高强度和高弹性的增强纤维，同时满足柔性蒙皮对增强纤维的高强度和高弹性要求，且金属弹簧通过相对廉价的高弹钢材料即可制成，从而在保证成本控制的情况下同时满足柔性蒙皮所需要双重特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的金属弹簧的形状示意图；

图2为本发明实施例提供的金属弹簧在拉伸状态下的变形的形状示意图；

图3、图4为本发明实施例提供的由金属弹簧组成的纤维增强体的形状示意图；

图5、图6为本发明实施例提供的具体实例的参数曲线示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明实施例提供一种用于柔性蒙皮的金属弹簧，如图1所示，在二维平面中，金属弹簧由曲线段和直线段间隔组成，且邻近的两个曲线段之间设置一个直线段，其中，曲线段为椭圆弧曲线。

在由金属弹簧组成的纤维增强体中，金属弹簧排列成如图3所示的网格形式，其中，网格经纬向纤维在金属弹簧的直线段处交叉排列。

具体的，二维平面金属弹簧由曲线段和直线段间隔组成，邻近的两个曲线段之间有一个直线段，本设计中曲线段具体表现形式为椭圆弧曲线，如图1所示。考虑到纤维增强体要排列成网格形式，金属弹簧设计中需要直线段，网格经纬向纤维在直线段处交叉排列。曲线段主要实现金属弹簧的弹性变形，这种形状设计提高了结构本身的弹性能力，从而可以改善现有纤维的弹性问题。

在本实施例中，所述纤维增强体的网格大小匹配柔性蒙皮的变形和面内承载能力，组成纤维增强体的金属弹簧的弹簧波长符合所述纤维增强体的网格大小与匹配柔性蒙皮的变形和面内承载能力的匹配关系，用于表示匹配关系的弹性变形能力参数为其中，弹簧总长L，波数n，椭圆弧曲线段的短半轴长a、长半轴长b、直线段长度l。

具体的，金属弹簧在弹性范围内的变形能力和它的几何参数有关。设计金属弹簧参数如图1所示：弹簧总长L，波数n，弧形曲线段部分可以任意选取，这里以椭圆弧曲线段为例，短半轴长a，长半轴长b，直线段长度l。当金属弹簧在弹性范围内工作时，主要变形由曲线段实现，直线段不能伸长，变形能力与材料的物理参数、几何参数有关，通过仿真分析方法可得出金属弹簧在弹性范围内的整体变形量，则其弹性变形能力可用式(1)表示：

$\mathrm{\Δ}\%=\frac{\mathrm{\Δ}L}{(2R+l)n+l}\×1---\left(1\right)$

根据柔性蒙皮的变形和面内承载能力可以设计出与之相匹配的金属弹簧增强纤维的网格大小，由此确定金属弹簧波长。

在本实施例中，金属弹簧承载能力设计。为确保金属弹簧受力后仍能恢复原形，即变形在弹性范围内，需要确定金属弹簧的极限承载能力。但由于金属弹簧的形状特殊，它在变形过程中的力学行为较为复杂，本专利中只初步给出金属弹簧的承载能力随几何参数变化的一般规律：椭圆弧曲线段截面尺寸一定时，椭圆弧曲线段长短半轴之比b:a的值越小，承载能力越强；椭圆弧曲线段长短半轴之比b:a的值不变时，椭圆弧曲线段截面尺寸越大，承载能力越强。在工程实际应用中，通常以材料的屈服强度作为材料抗力的指标，根据材料屈服现象是否明显，屈服强度可取屈服点的屈服值σ_s，或条件屈服强度σ_0.2。

根据以上所确定的金属弹簧极限承载力F和弹性变形量ΔL，可由式(2)给出它的拉伸刚度，即金属弹簧的拉伸刚度符合其中，K表示拉伸刚度，F表示极限承载力和ΔL表示弹性变形量。

在本实施例了中，金属弹簧由高弹钢材料制成，并设计二维平面金属弹簧，用于自适应鼓包进气道柔性蒙皮的增强纤维，以满足高弹性与高强度的要求。

在本实施例中具体应用中，参考某尺寸鼓包面外变形要求划分鼓包型面网格大小，取椭圆弧曲线段短半轴a＝3mm，长半轴b＝5mm，截面为实心圆，直径d＝1mm，直线段长l＝2mm，波数n＝20，金属弹簧模型总长L＝162mm。金属弹簧材料选取碳素弹簧钢丝，弹性模量E＝206×10³MPa，由于碳素弹簧钢丝屈服点非常不明显，通常取钢丝产生0.2％的残余变形时的应力作为屈服极限。利用有限元软件ABAQUS对该模型进行仿真，给出金属弹簧的极限承载力、弹性变形量，再由式(1)和式(2)给出弹性变形能力和拉伸刚度，结果如表1所示的金属弹簧的变形参数。

表1

金属弹簧在弹性范围内的变形能力和承载能力与它的几何参数和形状参数有关。分别设计几何参数和形状参数，通过有限元软件进一步分析其中的规律。实施例金属弹簧形状不变，改变其几何参数，变形能力和承载能力会随之变化。用椭圆弧曲线段短半轴长与截面直径比值的变化表征几何参数的变化，变形参数如表2所示的金属弹簧弹性变形随几何参数变化。

表2

其中，改变金属弹簧几何参数，当金属弹簧椭圆弧曲线段长短半轴之比b∶a的值不变时，椭圆弧曲线段截面尺寸越大，承载能力越强，而变形能力减弱。

实施例金属弹簧几何参数不变，改变其形状，变形能力和承载能力会随之变化。改变椭圆弧曲线段形状，即改变长半轴与短半轴比值，变形参数如表3所示的金属弹簧弹性变形随形状参数变化。

表3

由表3可以看出，当金属弹簧椭圆弧曲线段截面尺寸一定时，椭圆弧曲线段长短半轴之比b∶a的值越小，变形能力减弱，承载能力大致呈现先增强后减弱的趋势。

在本实施例中，提供了一种组成纤维增强体的金属弹簧结构的优选方案，其中：组成纤维增强体的金属弹簧的截面直径为1mm,椭圆弧曲线段的短半轴2.5mm长半轴为5mm。

可选的，在本实施例中，还提供了一种组成纤维增强体的金属弹簧结构的优选方案，其中：组成纤维增强体的金属弹簧的截面直径为1.26mm，椭圆弧曲线段的短半轴3mm长半轴为5mm。

在本实施例的实际应用中，金属弹簧的力学特性可以参照如图5所示的形状参数变化下的金属弹簧弹性变形量和拉伸刚度，和图6所示几何参数变化下的金属弹簧弹性变形量和拉伸刚度。例如：如图5所示，当椭圆曲线段短半轴长小于1.5mm或大于3.5mm时，弹性变形量和拉伸刚度的变化关系大致呈正相关性，即随着参数变化，弹性变形量递增(减)，拉伸刚度也是递增(减)。其中，椭圆曲线段短半轴长在1.5mm和3.5mm之间的力学特性适合高弹高强纤维特性。进一步的，如图6所示，改变椭圆曲线段短半轴长或改变截面直径，弹性变形量和拉伸刚度的变化形式呈相反趋势，即随着椭圆曲线段短半轴长或截面直径的增大，拉伸刚度增大而弹性变形量变小。为了获得高弹同时高强的要求，取两曲线交点作为本实施例的最优解。即最优解的椭圆曲线短半轴长在2.5mm左右，同时，长半轴长为5mm，截面直径为1mm；或者，最优解的截面直径约为1.26mm，同时椭圆曲线长半轴长为5mm，短半轴长为3mm。需要说明的是，上述优选方案并不代表本实施例在所有情况下的最优解，具体还要根据材料的属性以及变形要求而定，但皆可参照本实施例的具体实施方式和实验方法获取，可以理解为与本发明实施例的本质相同的方案。

进一步的，在本实施例中，网格经纬向纤维在金属弹簧的直线段处的交叉接触点(例如：在图3的基础上，如图4所示的)通过焊接固定。

并列可选的，在本实施例中，网格经纬向纤维在金属弹簧的直线段处的交叉接触点(例如：在图3的基础上，如图4所示的)通过绕丝固定，其中，用于固定的绕丝的截面直径小于等于组成纤维增强体的金属弹簧的截面直径。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于柔性蒙皮的金属弹簧，其特征在于，包括：

在二维平面中，金属弹簧由曲线段和直线段间隔组成，且邻近的两个曲线段之间设置一个直线段，其中，曲线段为椭圆弧曲线；

在由金属弹簧组成的纤维增强体中，金属弹簧排列成网格形式，其中，网格经纬向纤维在金属弹簧的直线段处交叉排列。

2.根据权利要求1所述的用于柔性蒙皮的金属弹簧，其特征在于，所述纤维增强体的网格大小匹配柔性蒙皮的变形和面内承载能力，组成纤维增强体的金属弹簧的弹簧波长符合所述纤维增强体的网格大小与匹配柔性蒙皮的变形和面内承载能力的匹配关系，用于表示匹配关系的弹性变形能力参数为

其中，弹簧总长L，波数n，椭圆弧曲线段的短半轴长a、长半轴长b、直线段长度l。

3.根据权利要求2所述的用于柔性蒙皮的金属弹簧，其特征在于，组成纤维增强体的金属弹簧的截面直径为1mm,椭圆弧曲线段的短半轴2.5mm长半轴为5mm。

4.根据权利要求2所述的用于柔性蒙皮的金属弹簧，其特征在于，组成纤维增强体的金属弹簧的截面直径为1.26mm，椭圆弧曲线段的短半轴3mm长半轴为5mm。

5.根据权利要求1所述的用于柔性蒙皮的金属弹簧，其特征在于，金属弹簧的拉伸刚度符合其中，K表示拉伸刚度，F表示极限承载力和ΔL表示弹性变形量。

6.根据权利要求1所述的用于柔性蒙皮的金属弹簧，其特征在于，金属弹簧由高弹钢材料制成。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的用于柔性蒙皮的金属弹簧，其特征在于，网格经纬向纤维在金属弹簧的直线段处的交叉接触点通过焊接固定。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的用于柔性蒙皮的金属弹簧，其特征在于，网格经纬向纤维在金属弹簧的直线段处的交叉接触点通过绕丝固定，其中，用于固定的绕丝的截面直径小于等于组成纤维增强体的金属弹簧的截面直径。