CN110065619B - 一种分布式能量收集与智能变形的多功能机翼 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式能量收集与智能变形的多功能机翼。该多功能机翼的柔性后缘通过拓扑优化进行设计，并由介电弹性体材料维持其表面形状，能在变形过程中保持连续光滑，避免传统操纵面与机翼之间的缝隙导致的气流分离，提高气动效率。同时，由于机翼表面连续，还能够减少气动噪声，提高飞行品质。该多功能机翼还包括分布式机翼振动能量收集装置，通过压电材料和能量收集电路，把机翼振动的机械能转换为电能并加以储存，为柔性后缘驱动器供电，实现智能变形机翼的自供电，可以省去外部电源，并可降低由于周期性更换电池带来的维护保养费用，还能减少传统电池造成的化学废弃物，实现智能变形机翼材料‑结构‑功能的一体化。
Description
技术领域
本发明属于飞机设计和能量收集技术领域，具体涉及一种分布式能量收集与智能变形的多功能机翼。该多功能机翼包括基于压电材料的分布式能量收集装置和可智能变形的柔性后缘机构和柔性蒙皮。
背景技术
大部分飞机都是通过襟翼、副翼等常规操纵面来改变机翼的几何形状，从而改变机翼的升力分布，实现对飞机的控制，但这些常规方式也存在一些问题。例如，操纵面与机翼之间的连接是不连续的，它们之间的缝隙会造成操纵面附近的气流分离，进而使操纵面的操纵效率下降。此外，操纵面与机翼之间的缝隙也是飞行过程中气动噪声的主要来源之一。智能变形机翼可以使机翼表面在后缘变形过程中始终保持光滑和连续，改善机翼表面的压力分布，提高气动效率，大大减少飞行过程中产生的噪声。
随着能量收集材料和技术的发展，能量收集器越来越广泛地应用于航空航天、仿生机器人、生物医学、土木工程等领域中。现代飞机上的传感器数量多、分布广泛，使用布线供电的方式会给结构增加过多重量，而传统化学电池也存在寿命有限、需要定时更换等问题。因此，将能量收集引入飞机设计领域，具有巨大的应用前景。飞机在飞行过程中始终会伴随着各种振动，能量收集装置可以将这部分机械能转换为电能储存起来，为低功耗传感器、柔性后缘驱动器等设备供电。能量转换的原理有很多，其中较为常用的是利用压电材料的压电效应实现机械能-电能的转换，利用压电材料设计各种高效的、微型化、集成化的能量收集器。
可见，通过将能量收集技术和智能变形机翼结合，实现具有自供电功能的智能变形多功能机翼在飞机设计领域是一种具有广泛应用前景的技术方案。
发明内容
现有的连杆式、铰链式等机械式变形机翼方案结构复杂、重量较大，且变形幅度有限、自适应能力差。同时，缺少能与之匹配的在机翼变形过程中保持光滑连续并承受气动载荷、维持翼型为柔性蒙皮。另一方面，压电能量收集装置所产生的电能是不能直接给设备供电的，因为其产生的电压是不断变化的，不稳定，而负载设备一般需要的是直流电。其次，压电能量收集装置产生的功率很小，一般是毫瓦级甚至更小，远小于负载功率。
为了解决上述问题，本发明从机翼整体布局、柔性后缘、柔性蒙皮、驱动机构、压电材料布置、能量收集电路等多个方面进行了协同设计，实现了一种智能变形机翼材料-结构-功能一体化的优化设计。
根据本发明的一个方面，提供了一种具有分布式能量收集功能与智能变形功能的多功能机翼，其特征在于包括：
翼梁，所述翼梁为矩形截面主梁或其他形式的主梁，是机翼的主承力构件；
翼肋，所述翼肋等距固定于翼梁上，用于连接翼梁和不完整翼型蒙皮；
不完整翼型蒙皮，分为上下两个部分，对称置于翼梁的两侧，通过第一螺纹孔互相连接，并通过第二螺纹孔与翼肋连接，为留出有柔性后缘操纵面的位置的不完整翼型；
完整翼型蒙皮，其被设置于机翼的翼根与翼尖处，具有完整的翼型，其通过第一螺纹孔互相连接，并通过第二螺纹孔与翼肋连接；
柔性后缘操纵面，所述柔性后缘操纵面设置于机翼的中间部分，每个柔性后缘操纵面包括三个柔性后缘机构和柔性蒙皮；
连接装置，用于连接柔性后缘机构与翼梁，其中：
柔性后缘机构具有用于固定的上连接点和下连接点，并且柔性后缘机构通过上连接点和下连接点与连接装置连接；
一个电机，其被固定在连接装置上，其中：电机的驱动力通过一个连杆被传递给柔性后缘机构的中间连接点，使整个柔性后缘操纵面产生偏转，从而改变翼型；
柔性蒙皮，其被覆盖于柔性后缘机构的上表面和下表面，与不完整翼型蒙皮的后部光滑连接，共同组成完整的翼型，其中：柔性蒙皮在变形过程中随着柔性后缘操纵面的偏转而拉伸或收缩，改变表面积，并始终与不完整翼型蒙皮保持连续连续；
多个能量收集装置，每个能量收集装置对应一个柔性后缘机构，用于将机翼振动的机械能转换为电能，并进行储存，为包括柔性后缘驱动电机的负载供电，其中每个能量收集装置包括：
分布式压电换能单元，其包括被布置于翼梁和/或翼肋上的压电纤维复合材料；
整流滤波单元，其包括全桥整流电路，用于把压电纤维复合材料产生的交流电转换为直流电；
能量存储单元，用来接收和储存所述直流电的能量；
电源管理单元，用于进行能量管理，其包括开关电路和DC-DC稳压电路，其中：当接收到变形指令时，开关电路闭合，DC-DC稳压电路将能量存储单元的输出电压调整到负载所需电压值，从而为负载稳定供电；当不需要为负载供电时，开关电路断开，以节约电量。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的分布式能量收集与智能变形的多功能机翼；
图2显示了根据本发明的一个实施例的多功能机翼的内部结构；
图3显示了根据本发明的一个实施例的多功能机翼的柔性后缘机构；
图4是根据本发明的一个实施例的能量收集装置的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种柔性后缘结构的方案，通过拓扑优化的方法进行设计，用一种简单的结构达到所期望的后缘变形能力，同时减轻了结构重量。使用加筋介电弹性体材料作为柔性蒙皮，介电弹性体材料质量较轻，在变形过程中具有较好的光滑连续性和面内大变形的能力，用加筋结构提高了其面外承载能力，避免了出现局部变形，既能够在后缘变形时跟随翼型变化，又能够承受气动载荷，维持气动外形。根据柔性后缘的结构计算变形需要的驱动力，搭配合适的驱动器，实现了对变形的精确控制。
飞机在飞行过程中始终处于振动状态，振动源分散，本发明采用了分布式能量收集装置，将压电材料布置于翼肋等在飞行过程中会出现变形的部位，把各个位置的振动能量集中起来，提高了能量收集效率。同时，本发明设计了能量收集电路对电能进行管理，能量收集电路可以对压电材料产生的电流进行处理，解决电流不稳定、功率过小等问题，实现对电能的高效利用。由能量收集装置为柔性后缘驱动电机提供电能，实现智能变形机翼的自供电，可以省去外部电源，并可降低由于周期性更换电池带来的维护保养费用，还能减少传统电池造成的化学废弃物，实现智能变形机翼材料-结构-功能的一体化。
根据本发明的能量收集装置包括四个单元：压电换能单元、整流滤波单元、能量储存单元和电源管理单元。其中，压电换能单元包括压电材料，用于把机翼振动的机械能转换为电能；整流滤波单元将压电材料输出的电流进行整流滤波，转换为直流电；能量储存单元包括锂电池或超级电容，将整流滤波单元输出的直流电进行储存；电源管理单元包括开关电路和DC-DC稳压电路，将储能模块的输出电压调整到负载所需电压值，为驱动电机稳定供电。
本发明的有益效果主要体现在：
本发明所述多功能机翼采用了柔性后缘和柔性蒙皮的方式，使机翼后缘在变形过程中保持连续光滑，避免传统操纵面与机翼之间的缝隙导致的气流分离，提高气动效率。同时，由于机翼表面连续，还能够减少气动噪声，提高飞行品质。与其他机械式变形后缘相比，结构简单、结构重量轻、可靠性高。
以下结合附图详细说明本发明的实施例。
如图1－3所示，根据本发明的一个实施例的多功能机翼采用翼梁-翼肋-蒙皮的结构形式。
图2显示了根据本发明的一个实施例的多功能机翼的内部结构，其中，翼梁1为矩形截面主梁或其他形式的主梁，是机翼的主承力构件。12个翼肋2两个一组，等距固定于翼梁1上。蒙皮3分为上下两个部分，采用诸如3D打印方式进行制作，对称置于翼梁1的两侧，通过螺纹孔4互相连接，形成完整的翼型。蒙皮3通过螺纹孔5与翼肋2连接。由于翼根6处需要与机身连接，结构复杂，且受力较大，翼尖7处存在由下翼面绕过翼尖流向上翼面的气流，流场情况复杂，所以在这两个位置，蒙皮8采用了完整的翼型，没有采用柔性后缘。中间部分的蒙皮3为不完整翼型，留出了柔性后缘操纵面9的位置，机翼中间部分包括两个柔性后缘操纵面9(图1)，每个操纵面由三个柔性后缘机构10和柔性蒙皮17组成。
柔性后缘机构10如图3所示，通过拓扑优化的方法进行设计，以达到减轻质量和实现其自适应变形的目的。其中，上下连接点11、12用于固定，中间连接点16用于驱动柔性后缘机构变形。如果将柔性后缘的上下两端11、12固定在蒙皮3的后部，在后缘变形时蒙皮3会承受这两点传递的力，从而产生变形，这对维持机翼的外形是不利的，所以本发明通过连接装置13将柔性后缘10与主梁1连接，由主梁1承受后缘变形产生的力。其中柔性后缘机构10通过上连接点11和下连接点12与连接装置13连接，电机15也固定于连接装置13上，通过连杆14将电机15的驱动力传递给柔性后缘的中间连接点16，从而使整个柔性后缘产生偏转，改变翼型。柔性蒙皮17覆盖于柔性后缘10的上下表面，与蒙皮3光滑连接，共同组成完整的翼型，并且不存在传统操纵面与机翼之间的缝隙，在变形过程中随着柔性后缘的变化而拉伸或压缩，改变表面积，并始终与蒙皮3保持连续不间断。
在飞机飞行过程中主梁1和翼肋2受力后会产生振动变形，且通常情况下振动频率分布在一个较宽的范围内，所以将不同尺寸和规格的压电纤维复合材料18分别布置于主梁1和翼肋2的不同位置，使得在不同的情况下都能有较高的能量收集效率。每个能量收集装置对应一个柔性后缘机构10，用于将机翼振动的机械能转换为电能，并进行储存，为柔性后缘驱动电机15等负载供电。每个能量收集装置19包括四个部分，如图4所示。第一部分是包括压电纤维复合材料18的分布式压电换能单元20。第二部分是整流滤波单元21，其包括全桥整流电路，用于把压电纤维复合材料产生的交流电转换为直流电。在全桥整流电路与储能单元之间加有滤波电容，用该滤波电容保证电压的稳定性。第三部分是能量存储单元22，用来储存收集到的能量，其包括锂电池或超级电容等储能元件。第四部分是电源管理单元23，用于进行能量管理，其包括开关电路和DC-DC稳压电路；当接收到变形指令时，开关电路闭合，DC-DC稳压电路将储能模块的输出电压调整到负载所需电压值，为负载稳定供电。负载包括电机15，后者根据控制信号驱动柔性后缘，从而使后缘变形到指定位置。当不需要进行后缘的变形时，开关电路断开，以节约电量。由于电机的内部结构特性，在不通电时连杆不能运动，从而使柔性后缘固定在一定位置。
Claims (4)
1.一种具有分布式能量收集功能与智能变形功能的多功能机翼，其特征在于包括：
翼梁(1)，所述翼梁为矩形截面主梁，是机翼的主承力构件；
翼肋(2)，所述翼肋等距固定于翼梁(1)上，用于连接翼梁(1)和不完整翼型蒙皮(3)、完整翼型蒙皮(8)；
不完整翼型蒙皮(3)，分为上下两个部分，对称置于翼梁(1)的两侧，通过第一螺纹孔(4)互相连接，并通过第二螺纹孔(5)与翼肋(2)连接，为留出有柔性后缘操纵面(9)的位置的不完整翼型；
完整翼型蒙皮(8)，其被设置于机翼的翼根(6)与翼尖(7)处，具有完整的翼型，其通过第一螺纹孔(4)互相连接，并通过第二螺纹孔(5)与翼肋(2)连接；
柔性后缘操纵面(9)，所述柔性后缘操纵面设置于机翼的中间部分，每个柔性后缘操纵面(9)包括三个柔性后缘机构(10)和柔性蒙皮(17)；
连接装置(13)，用于连接柔性后缘机构(10)与翼梁(1)，其中：
柔性后缘机构(10)具有用于固定的上连接点(11)和下连接点(12)，并且柔性后缘机构(10)通过上连接点(11)和下连接点(12)与连接装置(13)连接；
一个电机(15)，其被固定在连接装置(13)上，其中：电机(15)的驱动力通过一个连杆(14)被传递给柔性后缘机构(10)的中间连接点(16)，使整个柔性后缘操纵面(9)产生偏转，从而改变翼型；
柔性蒙皮(17)，其被覆盖于柔性后缘机构(10)的上表面和下表面，与不完整翼型蒙皮(3)的后部光滑连接，共同组成完整的翼型，其中：柔性蒙皮(17)在变形过程中随着柔性后缘操纵面(9)的偏转而拉伸或收缩，改变表面积，并始终与不完整翼型蒙皮(3)保持连续；
多个能量收集装置(19)，每个能量收集装置对应一个柔性后缘机构(10)，用于将机翼振动的机械能转换为电能，并进行储存，为包括柔性后缘驱动电机(15)的负载供电，其中每个能量收集装置包括：
分布式压电换能单元(20)，其包括被布置于翼梁(1)和/或翼肋(2)上的压电纤维复合材料(18)；
整流滤波单元(21)，其包括全桥整流电路，用于把压电纤维复合材料产生的交流电转换为直流电；
能量存储单元(22)，用来接收和储存所述直流电的能量；
电源管理单元(23)，用于进行能量管理，其包括开关电路和DC-DC稳压电路，其中：当接收到变形指令时，开关电路闭合，DC-DC稳压电路将能量存储单元(22)的输出电压调整到负载所需电压值，从而为负载稳定供电；当不需要为负载供电时，开关电路断开，以节约电量。
2.根据权利要求1所述的多功能机翼，其特征在于：
柔性后缘机构(10)通过拓扑优化的方法进行设计，用一种简单的结构实现了后缘连续变形，同时减轻了结构重量。
3.根据权利要求1所述的多功能机翼，其特征在于：
所述柔性蒙皮为加筋介电弹性体材料，加筋结构用于提高其面外承载能力，避免出现局部变形；
所述柔性蒙皮具有良好的面内变形能力，可以随着柔性后缘的变形改变形状，与机翼蒙皮共同组成完整的可变翼型，提供升力与操纵力。
4.根据权利要求1所述的多功能机翼，其特征在于：
所述分布式能量收集装置包括压电纤维复合材料以及能量收集电路，压电纤维复合材料为片状结构，不同型号和尺寸的压电片布置于所述多功能机翼主梁和翼肋的不同位置，利用其压电效应，将机翼振动时的机械能转换为电能，与能量收集电路共同组成分布式能量收集装置，为柔性后缘驱动电机提供电能，实现智能变形机翼的自我分布式供电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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