CN111348178A - 一种变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构，其包括：用于形成适应于多种目标飞行状态的前缘柔性蒙皮，所述前缘柔性蒙皮在多种目标飞行状态下具有不同的气动外形；多个支撑机构，所述支撑机构包括连杆及连接长桁，所述连杆通过所述连接长桁固定在所述柔性蒙皮的内侧；以及主动杆及用于固定所述主动杆的固定支座，所述主动杆铰接于多个支撑机构的连杆，且所述主动杆能够进行旋转运动，在主动杆旋转运动的驱动下能够带动多个支撑机构中的连接长桁运动，从而使所述前缘柔性蒙皮从第一飞行状态的气动外形变换成第二飞行状态的气动外形。本申请可以降低传统设计方法中将巡航外形作为初始外形导致的下偏后蒙皮材料的应变水平，避免材料失效。
Description
技术领域
本申请属于飞行器机翼气动外形设计技术领域，特别涉及一种变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构及其设计方法。
背景技术
变弯度机翼是一种能够根据飞机飞行的状态和任务进行机翼翼型的实时优化的机翼构型，使其能在任一飞行状态下能够获得最优的气动性能，并通过一体化无缝的结构设计消除缝隙，降低噪声，同时无缝光滑外形有利于层流飞行，其对飞行器的综合性能提高具有重要作用。
变弯度前缘柔性蒙皮是变弯度机翼结构的关键部分。目前，对于采用一体化复合材料柔性蒙皮与内部驱动机构的结构方案来说，其能够较好的解决结构大变形与高承载之间的矛盾，但下垂过程中，其一体化复合材料柔性蒙皮往往存在材料弯曲应变过大的问题，使得所设计的变弯度机翼前缘难以满足飞机起飞或者降落下的大偏转要求。
发明内容
本申请的目的是提供了一种变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构及其设计方法，以解决上述任一问题。
在一方面，本申请提供的技术方案是：一种变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构，所述变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构包括：
用于形成适应于多种目标飞行状态的前缘柔性蒙皮，所述前缘柔性蒙皮在多种目标飞行状态下具有不同的气动外形；
多个支撑机构，所述支撑机构包括连杆及连接长桁，所述连杆通过所述连接长桁固定在所述柔性蒙皮的内侧；以及
主动杆及用于固定所述主动杆的固定支座，所述主动杆铰接于多个支撑机构的连杆，且所述主动杆能够进行旋转运动，在主动杆旋转运动的驱动下能够带动多个支撑机构中的连接长桁运动，从而使所述前缘柔性蒙皮从第一飞行状态的气动外形变换成第二飞行状态的气动外形。
在本申请一优选实施方案中，所述前缘柔性蒙皮包括金属材料制成的柔性蒙皮或是复合材料制成的柔性蒙皮。
在本申请一优选实施方案中，所述支撑机构的数量为3～5个。
在本申请一优选实施方案中，所述变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构还包括驱动机构，所述驱动机构设置在所述前缘柔性蒙皮的内侧且连接于所述主动杆，用于提供使所述驱动杆旋转运动的驱动力。
在本申请一优选实施方案中，所述连接长桁成等腰梯形，且自等腰梯形的两端向外延伸有连接片。
在另一方面，本申请提供的技术方案是：一种用于实现如上任一所述的变弯度前缘柔性蒙皮的设计方法，所述设计方法包括：
根据飞机总体要求得到多种飞行条件下的机翼气动性能要求；
根据机翼气动性能要求优化出机翼前缘的初始外形和至少一种目标状态下的外形；
以目标状态下的外形作为优化目标，进行前缘柔性蒙皮刚度分布及支撑机构参数的多目标协同优化，其中，支撑机构参数包括连接长桁的位置、连接点传递力大小及传力方向；
以上述步骤的协同优化结果作为输入，将连接长桁与前缘柔性蒙皮的连接铰点的运动轨迹作为优化目标，进行驱动机构的拓扑优化，从而获得连接杆与主动杆的连接铰点位置、主动杆与固定支座的固定点位置以及主动杆的转动角度。
在本申请一优选实施方案中，若所述前缘柔性蒙皮为复合材料制成，则前缘柔性蒙皮刚度分布通过铺层数量和铺层角度决定。
在本申请一优选实施方案中，所述设计方法还包括：
根据优化设计结果进行柔性前缘蒙皮结构的设计与校核，并通过试验以确定所述柔性前缘结构的变形是否满足目标外形要求。
在第三方面，本申请提供的技术方案是：一种变弯度机翼，所述变弯度机翼包括如上任一所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构。
在最后一个方面，本申请提供的技术方案是：一种变弯度机翼，所述变弯度机翼按照如上任一所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构的设计方法获得。
本申请提供的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构及其设计方法通过将目标状态的气动外形作为多目标设计的两个变形目标，而将其中间某个外形状态作为初始外形，降低了传统设计方法中将巡航外形作为初始外形导致的下偏后蒙皮材料的应变水平，避免材料失效，实现了前缘蒙皮的多目标外形的精确变形控制，降低了蒙皮表面的应变水平，提高了变弯度机翼前缘一体化柔性蒙皮的宏观偏转变形能力，保证了柔性蒙皮在极限偏转下材料不失效。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请一实施例的变刚度柔性蒙皮的三个状态下的气动外形及位置。
图2为本申请的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
为了克服现有技术中所提出的问题，本申请提供了一种变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构及其设计方法。
如图1所示实施例的前缘柔性蒙皮1包括三种外形形态的蒙皮外形，即巡航目标外形12、初始外形11和起降目标外形13。其中，初始外形11为未受到驱动的蒙皮外形，其位于中间位置。巡航目标外形12和起降目标外形13为柔性蒙皮受到驱动后需要实现的两个外形，其分别位于初始外形11的向上或向下位置。
为了实现前缘柔性蒙皮1从初始外形11到巡航目标外形12或起降目标外形13的较大变形幅度及高承载的要求，本申请提出的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构包括：
用于形成适用于多种目标飞行状态的前缘柔性蒙皮，前缘柔性蒙皮在多种目标飞行状态下具有不同的气动外形；
多个支撑机构，支撑机构包括连杆及连接长桁，连杆通过连接长桁固定在柔性蒙皮的内侧；以及
主动杆及用于固定主动杆的固定支座，主动杆铰接于多个支撑机构的连杆，且主动杆能够进行旋转运动，在主动杆旋转运动的驱动下能够带动多个支撑机构中的连接长桁运动，从而使前缘柔性蒙皮从第一飞行状态的气动外形变换成第二飞行状态的气动外形。
在本申请一些实施例中，前缘柔性蒙皮可以为采用金属材料制成的柔性蒙皮，也可以是采用复合材料制成的柔性蒙皮。
在本申请的优选实施方案中，支撑机构的数量为3～5个，过少的支撑机构不足以实现前缘柔性蒙皮的形状控制，而过多的支撑机构又会导致结构臃肿、机翼重量的增加。
如图2所示实施例中，变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构包括有四个支撑结构，即由连杆22和连接长桁23构成的第一支撑结构、由连杆24和连接长桁25构成的第二支撑结构、由连杆26和连接长桁27构成的第三支撑结构和由连杆28和连接长桁29构成的第四支撑结构，连杆22、24、24、28一端铰接在主动杆21上，另一端铰接连接长桁23、25、27、29，而连接长桁23、25、27、29通过粘接或铆接等方式与前缘柔性蒙皮1固定。其中，第一至第四支撑结构以主动杆21为分界线，大致的分布在主动杆21的两侧。
通过对迫使主动杆21进行旋转运动，可以使连接长桁23、25、27、29带动前缘柔性蒙皮1变形及移动，实现所需的巡航目标外形12或是起降目标外形13。
为此，在本申请中，变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构还包括驱动机构，驱动机构设置在前缘柔性蒙皮的内侧且连接于主动杆，用于提供使驱动杆旋转运动的驱动力。
需要说明的是，在本申请的实施例中，巡航目标外形12和起降目标外形13分别位于初始外形11的向上或向下位置，因此，可以通过控制驱动机构的正转或反转，进而控制主动杆21绕支座铰接点往复运动实现巡航目标外形12和起降目标外形13从初始外形11位置向上或向下运动。
另外，在本申请中，为了对前缘柔性蒙皮1进行更高的连接及形状控制，连接长桁被设置成等腰梯形形状，且自等腰梯形的两端向外延伸有连接片，连接片用于与前缘柔性蒙皮1连接，等腰梯形的短的平行边用于与连杆连接。
另外，本申请还提供了一种可以适用于上述变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构的设计方法，所述设计方法主要包括如下步骤：
S1、通过飞机总体要求得到多种飞行条件下的机翼气动性能要求，其中飞行条件可以是飞机巡航、中间状态、起飞和降落等状态；
S2、根据机翼气动性能要求，通过气动优化得到机翼前缘的最优初始外形及至少一种目标飞行状态下的外形曲线。例如，飞行条件是飞机巡航时，目标飞行状态的气动外形则为巡航状态外形，由于机翼前缘的动作从初始状态向其他状态变化时通常为下垂动作，因此对于上述实施例中的气动外形还应具有下垂状态外形；
S3、以上述的外形曲线作为优化的目标，进行前缘柔性蒙皮的刚度分布、蒙皮长桁位置、长桁连接点传递力大小及传力方向等设计变量的多目标协同优化。需要说明的是，当前缘柔性蒙皮采用复合材料制成时，前缘柔性蒙皮刚度分布是通过铺层数量和铺层角度决定的。
S4、根据上述步骤优化得到的一体化蒙皮作为输入，将连接长桁与柔性蒙皮的连接铰点的运动轨迹作为优化目标，进行驱动机构的拓扑优化设计，从而确定连接杆与主动杆连接铰点位置、主动杆与固定支座固定点位置和主动杆转动角度。
另外，为了保证通过本申请的设计方法得到的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构满足设计要求，本申请的设计方法还包括对设计后的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构进行验证，具体包括：
以步骤S3和步骤S4获得的设计结果作为输入，进行变弯度机翼前缘的详细设计与校核；之后，通过试验台架对变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构进行测试以确定其变形是否满足目标外形要求。
最后，本申请中还提供了一种变弯度机翼，所述变弯度机翼包括如上任一所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构，或是所述变弯度机翼按照如上任一所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构的设计方法获得。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构，其特征在于，所述变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构包括：
用于形成适用于多种目标飞行状态的前缘柔性蒙皮，所述前缘柔性蒙皮在多种目标飞行状态下具有不同的气动外形；
多个支撑机构，所述支撑机构包括连杆及连接长桁，所述连杆通过所述连接长桁固定在所述柔性蒙皮的内侧；以及
主动杆及用于固定所述主动杆的固定支座，所述主动杆铰接于多个支撑机构的连杆，且所述主动杆能够进行旋转运动，在主动杆旋转运动的驱动下能够带动多个支撑机构中的连接长桁运动，从而使所述前缘柔性蒙皮从第一飞行状态的气动外形变换成第二飞行状态的气动外形。
2.如权利要求1所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构，其特征在于，所述前缘柔性蒙皮包括金属材料制成的柔性蒙皮或是复合材料制成的柔性蒙皮。
3.如权利要求1所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构，其特征在于，所述支撑机构的数量为3～5个。
4.如权利要求1所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构，其特征在于，所述变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构还包括驱动机构，所述驱动机构设置在所述前缘柔性蒙皮的内侧且连接于所述主动杆，用于提供使所述驱动杆旋转运动的驱动力矩。
5.如权利要求1所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构，其特征在于，所述连接长桁成等腰梯形，且自等腰梯形的两端向外延伸有连接片。
6.一种用于实现如权利要求1至5所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：
根据飞机总体要求得到多种飞行条件下的机翼气动性能要求；
根据机翼气动性能要求优化出机翼前缘的初始外形和至少一种目标状态下的外形；
以目标状态下的外形作为优化目标，进行前缘柔性蒙皮刚度分布及支撑机构参数的多目标协同优化，其中，支撑机构参数包括连接长桁的位置、连接点传递力大小及传力方向；
以上述步骤的协同优化结果作为输入，将连接长桁与前缘柔性蒙皮的连接铰点的运动轨迹作为优化目标，进行驱动机构的拓扑优化，从而获得连接杆与主动杆的连接铰点位置、主动杆与固定支座的固定点位置以及主动杆的转动角度。
7.一种如权利要求6所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构的设计方法，其特征在于，若所述前缘柔性蒙皮为复合材料制成，则前缘柔性蒙皮刚度分布通过铺层数量和铺层角度决定。
8.一种如权利要求7所述的变弯度前缘柔性蒙皮的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括：
根据优化设计结果进行柔性前缘蒙皮结构的设计与校核，并通过试验以确定所述柔性前缘结构的变形是否满足目标外形要求。
9.一种变弯度机翼，其特征在于，所述变弯度机翼包括如权利要求1至5任一所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构。
10.一种变弯度机翼，其特征在于，所述变弯度机翼按照如权利要求6至8任一所述的变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构的设计方法获得。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200630 |