CN114104262A - 一种可变形的机翼组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空技术领域，具体涉及一种可变形的机翼组件，该组件包括：固定座、柔性压电驱动器、堆叠式压电驱动器以及翼型；所述固定座设置在翼型的侧面；翼型为中空的外壳结构；柔性压电驱动器设置在中空的翼型内部的后缘，使得柔性压电驱动器与翼型形成悬臂梁结构的智能蒙皮，实现翼型的微小连续变化；堆叠式压电驱动器设置在中空的翼型内部的前缘，当堆叠式压电驱动器通电时，使得翼型发生形变；发明设计了一种可变形机翼组件，该组件将柔性压电驱动器、堆叠式压电驱动器固定在机翼内部特定位置，然后施加一定的电压，从而实现机翼的快速变形。

Description

一种可变形的机翼组件
技术领域
本发明涉及航空技术领域，具体涉及一种可变形的机翼组件。
背景技术
目前，变形机翼中常用的驱动方式主要有压电陶瓷驱动器、电活性高聚物、形状记忆合金、气动活塞、充气驱动器、电动液压驱动器、线性机电驱动器、偏心杠杆以及绳索驱动。在上述驱动方式中，电活性高聚物驱动力的能级不够；形状记忆合金能够产生较大的应变，但是该记忆合金为基于热力学发生形变，其响应速度慢，并且需要增加额外的冷却系统，大大增加了系统的总重量；气动活塞驱动力大、速度快、行程大，比液压和机电驱动重量轻，但需储存气体，难以安装在机翼里；充气驱动器驱动力大，但需要空间存储，需要多个充气袋；电动液压驱动器技术成熟，但是结构复杂，变形速度慢，重量和体积大；线性机电驱动器输出力大，负载能力强，但响应速度慢；偏心杠杆用超声电机驱动，响应速度快，但输出力能级不够；绳索驱动需多根绳索和桁架构成，重量轻，可实现分布式驱动，但结构设计复杂。
随着智能材料的不断发展，压电陶瓷等逐渐用于变形翼技术，可驱动机翼的扭转、拱曲度、展向弯曲、旋转、折叠、反角等发生改变。
以PZT为代表的压电陶瓷典型特称是响应速度快、负载能力强、应变小，虽然可以利用压电陶瓷薄片叠合成压电堆来增加形变量，但仍然难以满足机翼形变的需求，必须与机械放大结构相结合，以便得到所需的形变量。因此，急需一种质量小且驱动力强的可变形机翼组件。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种可变形的机翼组件，该组件包括：固定座1、柔性压电驱动器2、堆叠式压电驱动器3以及翼型5；所述固定座1设置在翼型5的侧面；翼型5为中空的外壳结构；柔性压电驱动器2设置在中空的翼型5内部的后缘，使得柔性压电驱动器2与翼型5形成悬臂梁结构的智能蒙皮，实现翼型5的微小连续变化；堆叠式压电驱动器3设置在中空的翼型5内部的前缘，当堆叠式压电驱动器3通电时，使得翼型5发生形变。
优选的，可变形的机翼组件还包括两个出线孔4，所述两个出线孔4均设置在翼型5的内部，且一个出线孔4设置在柔性压电驱动器2的侧面，另一个出线孔4设置在堆叠式压电驱动器3的侧面；出线孔4用于引出柔性压电驱动器2和堆叠式压电驱动器3控制线。
优选的，柔性压电驱动器2的控制线用于对柔性压电驱动器2施加-500V～1500V电压，使驱动器将在翼型的弦长方向产生拉力，牵引后缘产生变形；堆叠式压电驱动器3的控制线用于对堆叠式压电驱动器3施加0-200V电压，使堆叠式压电驱动器3产生翼型的弦长方向的拉力。
优选的，堆叠式压电驱动器3包括固定框架31和至少1个位移放大结构组32；所有的位移放大结构组32并联设置在固定框架31内部。
进一步的，固定框架31包括第一横梁311和第二横梁312，且第一横梁与第二横梁平行。
进一步的，位移放大结构组32包括至少1个位移放大结构321和连接杆322；相邻的两个移放大结构321通过连接杆322串联，构成位移放大结构组32。
进一步的，位移放大结构321包括外壳3211和压电堆叠3212；外壳3211包括壳体3211-1、第一夹块3211-2以及第二夹块3211-3；第一夹块3211-2和第二夹块3211-3分别设置在壳体3211内部距离最远的两端；压电堆叠3212通过外壳3211的第一夹块3211-2和第二夹块3211-3固定。
进一步的，位移放大结构321为椭圆式位移放大结构或者反椭圆式放大结构。
优选的，翼型5内部位于柔性压电驱动器2和堆叠式压电驱动器3)的下方的底面采用折纸形设计，使得翼型5具有良好的弹性。
优选的，翼型5的制作材料为弹簧钢60Si2MnA。
本发明设计了一种可变形机翼组件，该组件将柔性压电驱动器、堆叠式压电驱动器固定在机翼内部特定位置，然后施加一定的电压，从而实现机翼的快速变形；由于柔性压电驱动器和堆叠式压电驱动器具有质量小，体积小，产生的拉力大的特点，减小了本发明设计的可变形机翼组件的质量。
附图说明
图1为本发明的机翼组件的翼型结构示意图；
图2为本发明的机翼组件的翼型后缘弯度变形示意图；
图3为本发明的机翼组件侧视图；
图4为本发明的机翼组件的透视图；
图5为本发明的机翼组件的剖视图及局部折纸形设计示意图
图6为本发明的机翼组件爆炸图；
图7为本发明的堆叠式压电驱动器的结构图；
图8为本发明的椭圆式位移放大结构示意图；
图9为本发明的反椭圆式位移放大结构示意图；
其中，1、固定座，11、固定板，12、固定块；2、柔性压电驱动器；3、堆叠式压电驱动器；31、固定框架，311、第一横梁，312、第二横梁，32、位移放大结构组，321、位移放大结构，3211、外壳，3211-1、壳体，3211-2、第一夹块，3211-3、第二夹块，3212、压电堆叠，322、连接杆，4、出线孔；5、翼型。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
一种可变形的机翼组件，如图4所示，该组件包括：固定座1、柔性压电驱动器2、堆叠式压电驱动器3以及翼型5；所述固定座1设置在翼型5的侧面；翼型5为中空的外壳结构；柔性压电驱动器2设置在中空的翼型5内部的后缘，使得柔性压电驱动器2与翼型5形成悬臂梁结构的智能蒙皮，实现翼型5的微小连续变化；堆叠式压电驱动器3设置在中空的翼型5内部的前缘，当堆叠式压电驱动器3通电时，使得翼型5发生形变。
本发明通过改变翼型后缘弯度，实现机翼变形；翼型的横截面如图1所示，翼型包括两个弧面，即上弧面和中弧面，其中中弧面位于翼型的内部；翼型的前缘为半径r的弧形，中弧面的弧形高度为h。如图4所示，本系统组成主要包括：翼型、柔性压电驱动器、堆叠式压电驱动器。使用弹簧钢60Si2MnA作为机翼材料。其中，堆叠式压电驱动器置于翼型前缘，能够输出较大驱动力，实现翼型的大型变量突变；柔性压电驱动器粘接于翼型后缘，和翼型共形成为悬臂梁结构的智能蒙皮，可实现翼型的微小连续变化。
柔性压电驱动器、堆叠式压电驱动器的控制线从图4中的出线孔引出。柔性压电驱动器施加-500V～1500V电压后，驱动器将在翼型的弦长方向产生最大12N/cm2的拉力，牵引后缘产生变形。堆叠式压电驱动器施加0-200V电压后，将产生最大2000N的推力，经过位移放大机构转换放大以后，也转换成翼型的弦长方向的拉力，由于翼型底面部分区域采用了折纸形设计，具有良好的弹性，拉力将带动整个翼型结构产生形变。
如图3所示，翼型5划分为左翼型、中翼型以及右翼型；其中左翼型和右翼型相同，且两个固定座1均分别设置在左翼型和右翼型的左右两边。柔性压电驱动器2和堆叠式压电驱动器3设置在中翼型的内部。
如图6所示，左翼型、中翼型以及右翼型之间通过卡口固定连接，即左翼型的右侧设置有卡口凸起，右翼型的左侧设置有与左翼型右侧卡口凸起相同的结构，在中翼型的左右对应的位置处设置有与卡口凸起对应的卡口凹槽，将左翼型的卡口凸起与中翼型的左卡口凹槽连接，将右翼型的卡口凸起与中翼型的右卡口凹槽连接，构成翼型5。
一种翼型5的具体实施方式，将翼型用1mm厚度的弹簧钢60Si2MnA加工成弦长250mm、最大高度35mm、宽度300mm，两侧宽度150mm，其侧视图、透视图、剖视图分别如附图3、附图4、附图5所示。
将4只80mm*50mm的柔性压电驱动器用环氧胶粘接于翼型后缘内部，将8只带放大机构的堆叠式压电驱动器采用4*2分布的方式，固定于翼型前缘内部，驱动器导线从出线孔引出，如附图4、附图5所示。
给柔性压电驱动器施加1500V电压，给堆叠式压电驱动器施加200V电压，翼型产生形变，如附图2所示。
一种翼型5的具体实施方式，将翼型用0.6mm厚度的弹簧钢60Si2MnA加工成弦长250mm、最大高度34mm、宽度300mm，两侧宽度150mm，其侧视图、透视图、剖视图分别如附图3、附图4、附图5所示。
将4只80mm*50mm的柔性压电驱动器用环氧胶粘接于翼型后缘内部，将8只带放大机构的堆叠式压电驱动器采用4*2分布的方式，固定于翼型前缘内部，驱动器导线从出线孔引出，如附图4、附图5所示。
给柔性压电驱动器施加1000V电压，给堆叠式压电驱动器施加150V电压，翼型产生形变。
一种翼型5的具体实施方式，将翼型用0.3mm厚度的弹簧钢60Si2MnA加工成弦长250mm、最大高度33mm、宽度300mm，两侧宽度150mm，其侧视图、透视图、剖视图分别如附图3、附图4、附图5所示。
将4只80mm*50mm的柔性压电驱动器用环氧胶粘接于翼型后缘内部，将8只带放大机构的堆叠式压电驱动器采用4*2分布的方式，固定于翼型前缘内部，驱动器导线从出线孔引出，如附图4、附图5所示。
给柔性压电驱动器施加800V电压，给堆叠式压电驱动器施加100V电压，翼型产生形变。
固定座1包括固定板11和固定块12，固定块12与固定板11连接；固定板11的形状与翼型5的截面形状相同，将固定板11固定在翼型5的左侧面中使得翼型5内部密封。
优选的，固定板11上设置有固定槽，固定块12上设置有固定卡口，将固定块12的固定卡口插入到固定板11的固定槽中，构成了固定座1。所述固定座1用于将机翼组件与其他组件进行固定。
如图5所示，可变形的机翼组件还包括两个出线孔4，所述两个出线孔4均设置在翼型5的内部，且一个出线孔4设置在柔性压电驱动器2的侧面，另一个出线孔4设置在堆叠式压电驱动器3的侧面；出线孔4用于引出柔性压电驱动器2和堆叠式压电驱动器3控制线。
一种堆叠式压电驱动器的具体实施方式，如图7所示，该器件包括固定框架31和至少1个位移放大结构组32；所有的位移放大结构组32并联设置在固定框架31内部。
优选的，固定框架31包括第一横梁311和第二横梁312，且第一横梁与第二横梁平行。
位移放大结构组32包括至少1个位移放大结构321和连接杆322；相邻的两个移放大结构321通过连接杆322串联，构成位移放大结构组32。
位移放大结构321包括外壳3211和压电堆叠3212；外壳3211包括壳体3211-1、第一夹块3211-2以及第二夹块3211-3；第一夹块3211-2和第二夹块3211-3分别设置在壳体3211内部距离最远的两端；压电堆叠3212通过外壳3211的第一夹块3211-2和第二夹块3211-3固定。
椭圆式位移放大结构的壳体为椭圆形态，反椭圆式放大结构的壳体为反椭圆形态，如图8所示和图9所示，反椭圆式放大结构与椭圆式位移放大结构的区别在于，反椭圆式位移放大结构是将椭圆沿长轴剖开，然后翻转，再将两端连接，然后通过各种倒角使结构平滑过渡，避免应力集中，从而得到的放大结构。
可选的，横梁与位移放大结构的诸如胶水等粘黏物或者利用螺钉进行固定；优选的，位移放大结构的外壳和固定框架的横梁通过卡扣进行固定连接，卡扣式结构不会对结构本身造成损害，同时也方便拆卸。
可选的，用线切割的方式，制作位移放大结构，线切割完成后可以进行表面热处理，通过热处理可以增加结构的刚度，提高整体的负载能力
可选的，拆料选择可发生形变的材料，优选的，可以选择结构钢、弹簧钢、钛合金等金属材料。
位移放大结构设计时，第一夹块和第二夹块的距离可以略小于压电叠堆的总长度，从而在装配的时候形成一种过盈配合，装配时需要将放大结构沿短轴方向压缩或者拉伸，从而使位移放大结构沿长轴方向的空间增大，直至压电叠堆顺利装入壳体，然后去掉短轴方向的压力或拉力，位移放大结构恢复原状，实现与压电叠堆的紧配合，并且给压电叠堆施加一定的预紧力。
进一步的，第一夹块和第二夹块设置有凹槽，压电叠堆安置两个椭圆的固定结构之间，多个压电薄片电学并联，机械串联。
进一步的，通过银电极烧结或低温共烧的方式制备压电叠堆，优选的，尺寸可以选择10mm×10mm×60mm，压电材料可以选择压电系数d33较大的PZT-5系列压电陶瓷；单个压电薄片的厚度通常在0.1mm～0.5mm之间。
一般陶瓷的压电系数越高，压电性能越好。选用压电系数较高的压电陶瓷可以获得更大的形变量。
可选的，压电致动器的两横梁中间至少有一个位移放大结构，多个位移放大结构并联。
当压电叠堆在电压驱动下伸长时，壳体在压电叠堆的推力下，沿长轴发生位移，并引起短轴方向发生垂直方向的位移，由于壳体本身结构的位移放大效应，短轴方向的位移要大于长轴方向，从而单个位移放大结构的位移放大，多个位移放大结构产生的位移形成较大的推力或者拉力使得动横梁发生较大的位移，实现整个压电制动器的大位移。
当压电致动器中的位移放大结构为椭圆式位移放大结构时，通过多个椭圆式位移放大结构，将每个椭圆形位移放大结构形成的拉力传给横梁，达到放大多倍拉力的目的。
将椭圆式位移放大结构替换成反椭圆式位移放大结构后，通过多个反椭圆形位移放大结构，将每个反椭圆形位移放大结构形成的推力传给横梁，达到放大多倍推力的目的。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变形的机翼组件，其特征在于，包括：固定座(1)、柔性压电驱动器(2)、堆叠式压电驱动器(3)以及翼型(5)；所述固定座(1)设置在翼型(5)的侧面；翼型(5)为中空的外壳结构；柔性压电驱动器(2)设置在中空的翼型(5)内部的后缘，使得柔性压电驱动器(2)与翼型(5)形成悬臂梁结构的智能蒙皮，实现翼型(5)的微小连续变化；堆叠式压电驱动器(3)设置在中空的翼型(5)内部的前缘，当堆叠式压电驱动器(3)通电时，使得翼型(5)发生形变。
2.根据权利要求1所述的一种可变形的机翼组件，其特征在于，可变形的机翼组件还包括两个出线孔(4)，所述两个出线孔(4)均设置在翼型(5)的内部，且一个出线孔(4)设置在柔性压电驱动器(2)的侧面，另一个出线孔(4)设置在堆叠式压电驱动器(3)的侧面；出线孔(4)用于引出柔性压电驱动器(2)和堆叠式压电驱动器(3)控制线。
3.根据权利要求2所述的一种可变形的机翼组件，其特征在于，柔性压电驱动器(2)的控制线用于对柔性压电驱动器(2)施加-500V～1500V电压，使驱动器将在翼型的弦长方向产生拉力，牵引后缘产生变形；堆叠式压电驱动器(3)的控制线用于对堆叠式压电驱动器(3)施加0-200V电压，使堆叠式压电驱动器(3)产生翼型的弦长方向的拉力。
4.根据权利要求1所述的一种可变形的机翼组件，其特征在于，堆叠式压电驱动器(3)包括固定框架(31)和至少1个位移放大结构组(32)；所有的位移放大结构组(32)并联设置在固定框架(31)内部。
5.根据权利要求4所述的一种可变形的机翼组件，其特征在于，固定框架(31)包括第一横梁(311)和第二横梁(312)，且第一横梁与第二横梁平行。
6.根据权利要求4所述的一种可变形的机翼组件，其特征在于，位移放大结构组(32)包括至少1个位移放大结构(321)和连接杆(322)；相邻的两个移放大结构(321)通过连接杆(322)串联，构成位移放大结构组(32)。
7.根据权利要求6所述的一种可变形的机翼组件，其特征在于，位移放大结构(321)包括外壳(3211)和压电堆叠(3212)；外壳(3211)包括壳体(3211-1)、第一夹块(3211-2)以及第二夹块(3211-3)；第一夹块(3211-2)和第二夹块(3211-3)分别设置在壳体(3211)内部距离最远的两端；压电堆叠(3212)通过外壳(3211)的第一夹块(3211-2)和第二夹块(3211-3)固定。
8.根据权利要求7所述的一种可变形的机翼组件，其特征在于，位移放大结构(321)为椭圆式位移放大结构或者反椭圆式放大结构。
9.根据权利要求1所述的一种可变形的机翼组件，其特征在于，翼型(5)内部位于柔性压电驱动器(2)和堆叠式压电驱动器(3)的下方的底面采用折纸形设计，使得翼型(5)具有良好的弹性。
10.根据权利要求1所述的一种可变形的机翼组件，其特征在于，翼型(5)的制作材料为弹簧钢60Si2MnA。
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