CN108090254A - 一种二维网状柔性结构参数的确定方法 - Google Patents
一种二维网状柔性结构参数的确定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种二维网状柔性结构参数的确定方法，步骤如下：建立由四根一维扁弹簧状结构和四个环状结构两者间隔且首尾相连的基本单元模型；建立由基本单元模型和一维扁弹簧状结构组合而成的网状柔性结构模型，该网状柔性结构模型沿横向间隔连接M个基本单元模型和(M‑1)个一维扁弹簧状结构，沿纵向连接N个基本单元模型和(N‑1)个一维扁弹簧状结构；根据一维扁弹簧状结构的各个参数，推导出一维扁弹簧状结构受载时变形率与各个参数的函数关系式；根据上一步推导出基本单元模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式；根据上两步推导出网状柔性结构模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式。
Description
技术领域
本发明涉及飞机柔性蒙皮技术领域，特别是涉及一种二维网状柔性结构参数的确定方法。
背景技术
变体飞机应该在不同飞行状态下均具有优良的性能，因此，其结构需要具有很好的自适应性。而飞机的柔性蒙皮和结构驱动是结构自适应的二项基本技术，也是当前变体飞机设计中的主要难点。到目前为止，国内外在柔性蒙皮领域，申请人认为热点研究的柔性蒙皮主要可以归纳为三类：(1)基于柔性蜂窝的蒙皮；(2)基于波纹板的蒙皮；(3)基于高分子聚合物的蒙皮。其中：柔性蜂窝的蒙皮制造工艺复杂，成本高，而且，由于用橡胶承受面内载荷，导致承载能力低；波纹板的蒙皮力学特性相对较差，主要体现在面内变形量比较小；高分子化合物的蒙皮强度和刚度特性偏低，它不仅面内承载能力比较小，而且法向刚度也不够大，特别是在蒙皮形状改变过程中，蒙皮不能承受外载的特性，极大地限制了它在变体飞机上的应用范围。
专利申请号为：201710769124.X，专利名称为：一种考虑变形率的二维扁弹簧网状结构的确定方法，该专利展示了由四根一维扁弹簧和四个圆环两者间隔且首尾相连的基本单元模型和一维扁弹簧组合而成的网状柔性结构模型，然而并不适用由多个一维扁弹簧和多个环状结构两者间隔且首尾相连构成的网状柔性结构模型。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维网状柔性结构参数的确定方法来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种二维网状柔性结构参数的确定方法，包括如下步骤：
步骤1：建立由四根一维扁弹簧状结构和四个环状结构两者间隔且首尾相连的基本单元模型；
步骤2：建立由基本单元模型和一维扁弹簧状结构组合而成的网状柔性结构模型，该网状柔性结构模型沿横向间隔连接M个基本单元模型和(M-1)个一维扁弹簧状结构，沿纵向连接N个基本单元模型和(N-1)个一维扁弹簧状结构；
步骤3：根据一维扁弹簧状结构的各个参数，推导出一维扁弹簧状结构受载时变形率与各个参数的函数关系式；
步骤4：根据步骤3获得的函数关系式，推导出基本单元模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式；
步骤5：根据步骤3及步骤4获得的函数关系，推导出网状柔性结构模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式。
优选地是，所述步骤2具体为：
所述网状柔性结构模型所用结构材料均各向同性；
所述网状柔性结构模型符合线弹性假设；
所述网状柔性结构模型在变形过程中只考虑弯曲变形；
所述网状柔性结构模型在同一约束和受力状态下，各个一维扁弹簧状结构的变形相同；
所述网状柔性结构模型中的环状结构为刚性结构。
优选地是，所述基本单元模型中的一维扁弹簧状结构的变形率ε≤25％，以避免弹簧在压缩时产生干涉现象。
优选地是，所述步骤3中的一维扁弹簧状结构受载时变形率与各个参数的函数关系式为：
其中，ε表示一维扁弹簧状结构受载时变形率；D表示一维扁弹簧状结构中半圆的直径；L表示一维扁弹簧状结构中丝杆的长度；E表示一维扁弹簧状结构的弹性模量；I表示一维扁弹簧状结构的惯性矩，μ为翘曲修正系数，取值在1～b/h范围之间，其中b表示一维扁弹簧状结构的宽度，h表示一维扁弹簧状结构的厚度；P表示承受的横向外力载荷，n表示一维扁弹簧状结构中标准单元个数。
优选地是，所述步骤4中的基本单元模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式为：
其中，ΔP表示基本单元模型受载时横向变形量；ΔQ表示基本单元模型受载时纵向变形量；εP表示基本单元模型受载时横向变形率；εQ表示基本单元模型受载时纵向变形率；P表示承受的横向外力载荷；Q表示承受的纵向外力载荷；D表示一维扁弹簧状结构中半圆的直径；L表示一维扁弹簧状结构中丝杆的长度；E表示一维扁弹簧状结构的弹性模量；I表示一维扁弹簧状结构的惯性矩，μ为翘曲修正系数，取值在1～b/h范围之间，其中b表示一维扁弹簧状结构的宽度，h表示一维扁弹簧状结构的厚度；n表示一维扁弹簧状结构中标准单元个数。
优选地是，所述步骤5中的网状柔性结构模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式为：
其中，Δ2NP表示网状柔性结构模型受载时横向变形量；Δ2MQ表示网状柔性结构模型受载时纵向变形量；表示网状柔性结构模型受载时横向变形率；表示网状柔性结构模型受载时纵向变形率；P表示承受的横向外力载荷；Q表示承受的纵向外力载荷；D表示一维扁弹簧状结构中半圆的直径；L表示一维扁弹簧状结构中丝杆的长度；E表示一维扁弹簧状结构的弹性模量；I表示一维扁弹簧状结构的惯性矩，μ为翘曲修正系数，取值在1～b/h范围之间，其中b表示一维扁弹簧状结构的宽度，h表示一维扁弹簧状结构的厚度；n表示一维扁弹簧状结构中标准单元个数。
通过本申请的二维网状柔性结构参数的确定方法可以为网状柔性结构的设计及实际应用提供理论基础，可以根据实际需要而通过本申请的方法进行设计，通过本申请的方法能够确定在具体工况下由多个一维扁弹簧和多个环状结构构成的网状柔性结构。
附图说明
图1是本申请二维网状柔性结构参数的确定方法的流程示意图；
图2是一维扁弹簧的结构及受力示意图；
图3是基本单元模型的结构及受力示意图；
图4是网状柔性结构模型的结构及受力示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的二维网状柔性结构参数的确定方法做进一步详细说明。
如图1所示，一种考虑变形率的二维扁弹簧网状结构的确定方法，包括如下步骤。
步骤1：建立由四根一维扁弹簧状结构和四个环状结构两者间隔且首尾相连的基本单元模型，见图3所示。其中一维扁弹簧状结构由半圆结构和丝杆结构组成，半圆直径为D，丝杆义长度为L，半圆和丝杆定义的截面为b*h，环状结构直径为D圆；结构材料均为弹簧钢，一维扁弹簧状结构详见图2所示。
步骤2：建立由基本单元模型和一维扁弹簧状结构组合而成的网状柔性结构模型，该网状柔性结构模型沿横向间隔连接M个基本单元模型和(M-1)个一维扁弹簧状结构，沿纵向连接N个基本单元模型和(N-1)个一维扁弹簧状结构，结构形式见图4所示。
为了研究该网状柔性结构模型的参数之间的内在关系，对模型进行合理简化，给出如下假设：1)网状柔性结构模型所用结构材料均各向同性；2)网状柔性结构模型符合线弹性假设；3)网状柔性结构模型在变形过程中只考虑弯曲变形；4)网状柔性结构模型在同一约束和受力状态下，各个一维扁弹簧状结构的变形相同；5)网状柔性结构模型中的环状结构为刚性结构。在上述5点假设的基础上，开展推导由一维扁弹簧状结构组成的网状柔性结构的变形量与所加载荷及结构参数之间的函数关系式。
步骤3：根据一维扁弹簧状结构的各个参数，推导出一维扁弹簧状结构受载时变形率与各个参数的函数关系式。
首先网状柔性结构模型受载发生变形时，要求不能产生干涉现象，从实用性角度出发，进而本实施例的一维扁弹簧状结构半圆直径D选择9mm、丝杆长度L选择4mm、一维扁弹簧状结构的厚度b选择0.3mm以及标准单元选择2个。根据对基本单元模型的分析，为了避免弹簧在压缩变形时产生干涉(拉伸不存在干涉)问题，应满足以下条件：ε≤25％，ε为基本单元模型中一维扁弹簧状结构的变形率(或称结构延展率)。
接着结合图2简要推导出一维扁弹簧状结构受载时变形率与各个参数的函数关系式。
1)半圆部分
2)丝杆部分
3)基础量一半部分
4)基础量部分
5)整个一根
6)变形率/延展率
步骤4：根据步骤3获得的函数关系式，推导出基本单元模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式。得：
步骤5：根据步骤3及步骤4获得的函数关系，推导出网状柔性结构模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式。得：
各个参数的含义具体如下：
D表示一维扁弹簧状结构中半圆的直径；
L表示一维扁弹簧状结构中丝杆的长度；
P表示承受的横向外力载荷；
Q表示承受的纵向外力载荷；
n表示一维扁弹簧状结构中标准单元个数；
E表示一维扁弹簧状结构的弹性模量；
b表示一维扁弹簧状结构的宽度；
h表示一维扁弹簧状结构的厚度；
I表示一维扁弹簧状结构的惯性矩，μ为翘曲修正系数，取值在1～b/h范围之间；
M表示网状柔性结构模型中沿横向基本单元模型的个数；
N表示网状柔性结构模型中沿纵向基本单元模型的个数；
Δ表示变形量；
ε表示变形率/延展率。
总之，针对柔性蒙皮的力学特性要求，通过对上述参数的不断调整，就能够获得柔性骨架所期望的载荷与变形及延展率的关系，从而满足自适应结构中柔性蒙皮的需求。
下面以具体数例进一步说明：
各个参数取值如下。
M＝3个；
N＝2个；
n＝2个；
D＝9毫米；
L＝9毫米；
h＝0.3毫米；
b＝3毫米；
μ＝2.14(利用试验结果推算求出)
D圆＝5毫米；
E＝210GPa(弹簧钢材料)
将以上具体数值分别带入式(1)至式(4)，可得：
这里，载荷P和Q的单位是公斤，对应的变形量Δ2NP和Δ2MQ的单位是毫米。通过改变上述各个参数的数值，就可以改变柔性骨架的载荷与变形量和变形率的关系，经过反复调整参数值，从而能够达到满足所期望的需求。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种二维网状柔性结构参数的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立由四根一维扁弹簧状结构和四个环状结构两者间隔且首尾相连的基本单元模型；
步骤2：建立由基本单元模型和一维扁弹簧状结构组合而成的网状柔性结构模型，该网状柔性结构模型沿横向间隔连接M个基本单元模型和(M-1)个一维扁弹簧状结构，沿纵向连接N个基本单元模型和(N-1)个一维扁弹簧状结构；
步骤3：根据一维扁弹簧状结构的各个参数，推导出一维扁弹簧状结构受载时变形率与各个参数的函数关系式；
步骤4：根据步骤3获得的函数关系式，推导出基本单元模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式；
步骤5：根据步骤3及步骤4获得的函数关系，推导出网状柔性结构模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式。
2.如权利要求1所述的二维网状柔性结构参数的确定方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
所述网状柔性结构模型所用结构材料均各向同性；
所述网状柔性结构模型符合线弹性假设；
所述网状柔性结构模型在变形过程中只考虑弯曲变形；
所述网状柔性结构模型在同一约束和受力状态下，各个一维扁弹簧状结构的变形相同；
所述网状柔性结构模型中的环状结构为刚性结构。
3.如权利要求2所述的二维网状柔性结构参数的确定方法，其特征在于，所述基本单元模型中的一维扁弹簧状结构的变形率ε≤25％，以避免弹簧在压缩时产生干涉现象。
4.如权利要求3所述的二维网状柔性结构参数的确定方法，其特征在于，所述步骤3中的一维扁弹簧状结构受载时变形率与各个参数的函数关系式为：
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其中，ε表示一维扁弹簧状结构受载时变形率；D表示一维扁弹簧状结构中半圆的直径；L表示一维扁弹簧状结构中丝杆的长度；E表示一维扁弹簧状结构的弹性模量；I表示一维扁弹簧状结构的惯性矩，μ为翘曲修正系数，取值在1～b/h范围之间，其中b表示一维扁弹簧状结构的宽度，h表示一维扁弹簧状结构的厚度；P表示承受的横向外力载荷，n表示一维扁弹簧状结构中标准单元个数。
5.如权利要求4所述的二维网状柔性结构参数的确定方法，其特征在于，所述步骤4中的基本单元模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式为：
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其中，ΔP表示基本单元模型受载时横向变形量；ΔQ表示基本单元模型受载时纵向变形量；εP表示基本单元模型受载时横向变形率；εQ表示基本单元模型受载时纵向变形率；P表示承受的横向外力载荷；Q表示承受的纵向外力载荷；D表示一维扁弹簧状结构中半圆的直径；L表示一维扁弹簧状结构中丝杆的长度；E表示一维扁弹簧状结构的弹性模量；I表示一维扁弹簧状结构的惯性矩，μ为翘曲修正系数，取值在1～b/h范围之间，其中b表示一维扁弹簧状结构的宽度，h表示一维扁弹簧状结构的厚度；n表示一维扁弹簧状结构中标准单元个数。
6.如权利要求5所述的二维网状柔性结构参数的确定方法，其特征在于，所述步骤5中的网状柔性结构模型的变形量与所加载荷及各个参数之间的函数关系式为：
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其中，Δ2NP表示网状柔性结构模型受载时横向变形量；Δ2MQ表示网状柔性结构模型受载时纵向变形量；表示网状柔性结构模型受载时横向变形率；表示网状柔性结构模型受载时纵向变形率；P表示承受的横向外力载荷；Q表示承受的纵向外力载荷；D表示一维扁弹簧状结构中半圆的直径；L表示一维扁弹簧状结构中丝杆的长度；E表示一维扁弹簧状结构的弹性模量；I表示一维扁弹簧状结构的惯性矩，μ为翘曲修正系数，取值在1～b/h范围之间，其中b表示一维扁弹簧状结构的宽度，h表示一维扁弹簧状结构的厚度；n表示一维扁弹簧状结构中标准单元个数。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109625237A (zh) * | 2018-12-02 | 2019-04-16 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 一种网状柔性结构及飞机 |
| CN112199795A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-01-08 | 北京理工大学 | 一种关节处的绷带生成方法及系统 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN205440838U (zh) * | 2016-03-09 | 2016-08-10 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 一种柔性蒙皮网状柔性骨架 |
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2017
- 2017-11-29 CN CN201711228001.1A patent/CN108090254B/zh active Active
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112199795B (zh) * | 2020-10-15 | 2022-08-02 | 北京理工大学 | 一种关节处的绷带生成方法及系统 |
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| Publication number | Publication date |
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