CN108639310A - 一种基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构，其特征在于，包括：变形板，具有容纳充压变刚度弧形管和充压共轨管的中部空腔且四周密封的板状结构；充压变刚度弧形管，具有一端为密封端、另一端为开口端的笔筒状圆柱管；充压变刚度弧形管置于变形板的空腔内，其密封端与变形板的一侧端部内壁固定；充压共轨管，固定于变形板的另一侧端部内壁上，并与充压变刚度弧形管的开口端相连接，充压共轨管的内腔与充压变刚度弧形管的内腔相通。本发明为纯机械结构，通过改变充压的压力调整该结构的刚度和变形量，不受电磁场环境的干扰，具有变形形状可调，变形特性稳定、低能耗等优点。

Description

一种基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构

技术领域

本发明属于智能材料与结构领域，尤其涉及一种基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构。

背景技术

众所周知，常规固定机翼的几何外形是根据飞行器特定的飞行任务、高度、马赫数和飞机重量进行设计的，其通常只对一个设计点是最优化的，而对其它设计点进行折中处理。在一个完整的飞行过程中，不同飞行阶段所对应的飞行参数是不断变化的，固定机翼的几何外形在多数情况下都不能达到最优。比如，飞行器在起降时要求机翼具有高升力系数和大机翼面积；巡航时具有高升阻比和大机翼面积；高速飞行时具有低展弦比和小机翼面积。如果能让机翼的气动外形随着外界飞行环境的变化而变化，从而使飞行器在整个飞行过程中始终保持最优的气动特性，这将会极大的提高飞行器的适用性和利用率。

变体飞行器能够用来解决传统固定型机翼飞行器存在的问题。近年来，随着智能材料和复合材料的出现和迅猛发展，为变体飞行器的发展提供了良好的材料基础。变体飞行器可以根据外界的飞行环境来改变自身的气动布局，扩展飞行包线和改善操纵特性，减小阻力，加大航程，减少或消除颤振、抖振和涡流干扰等的影响，从而达到飞行性能最优的目的。

可变形蒙皮材料和结构是实现机翼可变飞行器的关键技术之一。机翼要实现其弦长、展长、后掠角和面积等的大幅度变化，蒙皮必须能够承受足够大的变形，且在变形过程中要有足够的面外刚度来维持机翼的气动外形，同时在变形过程中蒙皮材料的面内刚度要尽可能的小以减少驱动器对能量的要求。

目前，能够实现变形功能的蒙皮主要可以分为三大类。第一类是通过材料本身来实现，如柔性和弹性比较大的橡胶类材料。第二类是通过机构来实现变形，采用分片式可移动的传统硬蒙皮是通过机构来实现变形的典型代表。第三类是通过结构来实现变形，如波纹材料是通过结构来实现变形的典型代表。

因此，综合分析目前机翼可变飞行器的研究现状，现有的基于智能结构和材料的可变体飞行器尚处于概念研究阶段，距离工程实用还有很大的距离，亟需一种重量轻、承载力强、可实现多种变形且变形控制精度高的可变体结构。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构。本发明主要利用在变形板的空腔结构内设置充压变刚度弧形管和充压共轨管，通过改变充压的压力调节可变形板结构的刚度和变形量，从而实现承载力强、可多种变形且变形精度高的变体结构。

本发明采用的技术手段如下：

变形板，具有容纳充压变刚度弧形管和充压共轨管的中部空腔且四周密封的板状结构；

充压变刚度弧形管，具有一端为密封端、另一端为开口端的笔筒状圆柱管，通过改变充压的压力调整其刚度和变形量；所述充压变刚度弧形管置于所述变形板的空腔内，其密封端与所述变形板的一侧端部内壁固定；

充压共轨管，固定于所述变形板的另一侧端部内壁上，并与所述充压变刚度弧形管的开口端相连接，所述充压共轨管的内腔与所述充压变刚度弧形管的内腔相通。

进一步地，所述充压变刚度弧形管为预成型管，冲压之前无预应力。

进一步地，所述充压变刚度弧形管的几何特征采用三角函数、圆弧、级数、阿基米德螺线或上述组合形式，其中三角函数可表示为y＝Asin(nx+kπ)的形式。

进一步地，所述充压变刚度弧形管在所述可变形板结构中的布置形式为将多根所述充压变刚度弧形管排成一排设置为单层结构，或者将多个单层结构进行多排上下分层布置。进一步地，所述变形板上还设有用于实现变刚度现象的不同几何尺寸、位置的减弱凹槽。

进一步地，所述变形板的材质为橡胶、碳纤维、铝合金或上述多种材质的组合形式，可为两种或以上的配合形式。进一步地，所述变形板内的空腔结构设置为单层或多层，与所述充压变刚度弧形管配合，调节所述充压变刚度弧形管内部压力实现所述可变形板结构的单一可控变形或组合复杂变形。

进一步地，通过调节可变形结构的厚度和减弱凹槽的形状位置，改善所述可变形结构的刚度和变形量。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过选取不同材质的变形板，调整整体结构的承载能力；

2、本发明通过充压共轨管向充压变刚度弧形管中充压，当管内充满一定压力时，不仅可以使可变形板结构产生较大变形，还在一定程度上提高结构刚度；

3、本发明可变形板结构可以根据结构所需要变形的种类和变形量的大小，调节每个充压变刚度弧形管内的压力大小以适应变形需求，实现连续变形输出，从而实现对结构变形的精确控制，如拱形、S形等。

综上所述，本发明所提出的可变形板结构为纯机械结构，不受电磁场环境的干扰，具有变形形状可调，变形特性稳定、低能耗等优点，在智能变体等领域，如：民用工程(建筑/运输基础设施)、机械工程、电子工程、变体飞行器、汽车等方面均有广泛应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明可变形板结构的局部剖视图。

图2为本发明可变形板结构的侧视图。

图3为本发明充压变刚度弧形管的分布图。

图4为本发明可变形板结构变厚度的示意图。

图5为本发明可变形板结构设置的减弱凹槽的示意图。

图6为本发明可变形板结构变形前后的对比图。

图7为本发明可变形板结构设置减弱凹槽优化后变形前后的对比图。

图8为本发明可变形板结构有无减弱凹槽优化前后的受力情况对比图。

图中：1、变形板；2、充压变刚度弧形管；3、充压共轨管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，一种基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构，包括：

变形板1，具有容纳充压变刚度弧形管和充压共轨管的中部空腔且四周密封的板状结构；所述变形板1的材质为橡胶、碳纤维、铝合金或上述多种材质组合的形式，如橡胶和碳纤维配合，橡胶、碳纤维和铝合金的配合形式等等。

充压变刚度弧形管2，具有一端为密封端、另一端为开口端的笔筒状圆柱管，通过改变充压的压力调整其刚度和变形量；所述充压变刚度弧形管2置于所述变形板1的空腔内，其密封端与所述变形板1的一侧端部内壁固定；

充压共轨管3，固定于所述变形板1的另一侧端部内壁上，并与所述充压变刚度弧形管2的开口端相连接，所述充压共轨管3的内腔与所述充压变刚度弧形管2的内腔相通。

优选地，所述充压变刚度弧形管2为预成型管，冲压之前无预应力。所述充压变刚度弧形管2的几何特征可用采用三角函数、圆弧、级数、阿基米德螺线或上述组合形式，其中三角函数可表示为y＝Asin(nx+kπ)的形式。

所述充压变刚度弧形管2在所述可变形板结构中的布置形式为将多根所述充压变刚度弧形管2排成一排设置为单层结构，或者将多个单层结构进行多排上下分层布置。如图4所示，通过设置不同几何特征的所述充压变刚度弧形管2并调节其内部的压力，可实现可变形板结构的厚度的均匀变化或者非均匀变化。

如图5所示，所述变形板1上还设有用于实现变刚度现象的不同几何尺寸、位置的减弱凹槽。

优选地，所述变形板1内的空腔结构设置为单层或多层，与所述充压变刚度弧形管2配合，调节所述充压变刚度弧形管2内部压力实现所述可变形板结构的单一可控变形或组合复杂变形，如拱形或S形结构。

通过调节可变形结构的厚度和减弱凹槽的形状位置，改善所述可变形结构的受力后的变形程度，比如刚度和变形量。

实施例1

如图6所示，是均匀厚度的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构三维示意图。图中可变体结构主要有变形板1、充压变刚度弧形管2，和充压共轨管3；其具体连接方式为：充压变刚度弧形管2的开口端处于充压共轨管3连接且内腔相通，充压变刚度弧形管2的密封端和变形板1的端部内壁连接，充压共轨管3与变形板1的另一端部内壁连接。适当提高可变形板的可变形能力；在通过可变形板内部的充压共轨管3对充压变刚度弧形管2进行充适当压力后，变形板1就会随着充压变刚度弧形管2的变形而拱起，就会实现如图6所示的变形。

实施例2

如图7所示，是进一步优化截面后的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构三维示意图。在原基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构的基础上，进行变形板板厚度和减弱凹槽的优化，在保证可变形板结构在具有一定承载能力的前提下，适当提高可变形板的可变形能力；在通过可变形板内部的充压共轨管3对充压变刚度弧形管2进行充适当压力后，变形板1就会随着充压变刚度弧形管2的变形而拱起，就会实现如图7所示的变形。

如图8所示，是进一步优化截面前后的驱动力和可变形板的变形量关系曲线的对比图。从图中可以看出：图中处于下方的曲线是均匀厚度的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构的充压后力与位移的关系曲线，图中处于上方的曲线是进一步优化截面后的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构的充压后力与位移的关系曲线。由图可知，在基于相同充压压力的情况下，进一步优化截面后的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构的变形量要远大于均匀厚度的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构的变形量，从而可以说明进一步优化截面后的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构确实拥有更好的变形能力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (8)

1.一种基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构，其特征在于，包括：

变形板，具有容纳充压变刚度弧形管和充压共轨管的中部空腔且四周密封的板状结构；

充压变刚度弧形管，具有一端为密封端、另一端为开口端的笔筒状圆柱管，通过改变充压的压力调整其刚度和变形量；所述充压变刚度弧形管置于所述变形板的空腔内，其密封端与所述变形板的一侧端部内壁固定；

充压共轨管，固定于所述变形板的另一侧端部内壁上，并与所述充压变刚度弧形管的开口端相连接，所述充压共轨管的内腔与所述充压变刚度弧形管的内腔相通。

2.根据权利要求1所述的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构，其特征在于，所述充压变刚度弧形管为预成型管，冲压之前无预应力。

3.根据权利要求2所述的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构，其特征在于，所述充压变刚度弧形管的几何特征采用三角函数、圆弧、级数、阿基米德螺线或上述组合形式。

4.根据权利要求3所述的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构，其特征在于，所述充压变刚度弧形管在所述可变形板结构中的布置形式为将多根所述充压变刚度弧形管排成一排设置为单层结构，或者将多个单层结构进行多排上下分层布置。

5.根据权利要求4所述的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构，其特征在于，所述变形板上还设有用于实现变刚度现象的不同几何尺寸、位置的减弱凹槽。

6.根据权利要求5所述的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构，其特征在于，所述变形板的材质为橡胶、碳纤维、铝合金或上述多种材质的组合形式。

7.根据权利要求6所述的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构，其特征在于，所述变形板内的空腔结构设置为单层或多层，与所述充压变刚度弧形管配合，调节所述充压变刚度弧形管内部压力实现所述可变形板结构的单一可控变形或组合复杂变形。

8.根据权利要求7所述的基于充压变刚度弧形管驱动的可变形板结构，其特征在于，通过调节可变形结构的厚度和减弱凹槽的形状位置，改善所述可变形结构的刚度和变形量。