CN114291250B - 一种剪切变后掠翼面及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种剪切变后掠翼面及其设计方法，该翼面包括内翼和外翼，所述内翼与机身固定；所述外翼包括平行的至少三根梁和布设在多根梁之间的若干翼肋，所述翼肋与梁采用销轴连接，所述翼肋、梁绕销轴转动；所述外翼一端伸入内翼内部，每根梁装配到与内翼固定的一个转轴上，多个转轴按沿来流方向的直线布置；一根梁延伸到机身内部，连接到驱动机构上。本发明翼肋在变后掠过程中始终保持与来流方向平行，即翼型始终保持与来流方向平行，保持了翼型良好的气动特性，在飞行中保证了飞行器在不同后掠角状态下都具有较高的气动效率和低阻力特性。

Description

一种剪切变后掠翼面及其设计方法

技术领域

本发明属于变体飞行器技术领域，具体涉及一种剪切变后掠翼面及其设计方法。

背景技术

变体飞行器由于可以根据不同的飞行环境和任务改变自身形状以获得最优的气动性能并降低耗能，以满足在不同飞行速度和高度下执行多种任务如巡航、机动、攻击等的要求，提高飞行器的性能指标。变体飞行器主要的变形部件包括翼面和发动机进气道等。

目前国内外经过飞行试验的变后掠翼飞行器主要采用旋转变后掠，如美国的F-14。旋转变后掠翼的缺点是在某一个状态下翼型平行于来流方向，当翼面后掠角发生旋转时，翼型与来流方向不再平行，因此对升阻特性有一定的损失，特别是对于高亚声速巡航的飞行器而言，这个效应更为明显。

发明内容

针对现有技术中旋转变后掠翼过程中存在翼型与来流方向有时不平行的技术问题，本发明提供了一种剪切变后掠翼面及其设计方法，可实现翼面在变后掠角过程中翼型始终平行于来流方向，避免翼面升阻特性的损失。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

本发明提供了一种剪切变后掠翼面，包括内翼和外翼，所述内翼与机身固定；所述外翼包括平行的至少三根梁和布设在多根梁之间的若干翼肋，所述翼肋与梁采用销轴连接，所述翼肋、梁绕销轴转动；所述外翼一端伸入内翼内部，每根梁装配到与内翼固定的一个转轴上，多个转轴按沿来流方向的直线布置；一根梁延伸到机身内部，连接到驱动机构上。

进一步地，所述梁为三根，包括主翼梁、前梁、后梁，所述若干翼肋相互平行，所述翼肋为不规则板状结构，每个翼肋包括中心孔、两端凸出的限位部；所述主翼梁从翼肋中心孔穿过，所述销轴穿过翼肋、翼肋中心孔中的梁，所述中心孔留有容纳翼肋与梁相对转动的余量；所述翼肋两个限位部分别伸入前后梁的限位孔中，所述销轴穿过梁、梁限位孔中的翼肋限位部，所述限位孔留有容纳翼肋与梁相对转动的余量。

进一步地，所述若干翼肋之间还布置桁条，所述桁条与梁平行，所述桁条嵌入翼肋边缘的开槽中，所述开槽留有余量，容纳桁条相对翼肋转动。

进一步地，所述桁条与翼肋通过销轴连接，桁条与翼肋能够相对转动。

进一步地，所述外翼上下表面采用柔性蒙皮覆盖，所述蒙皮包括多个小块，所述蒙皮用压条固定在翼肋和桁条上。

进一步地，所述蒙皮采用形状记忆聚合物作为基底，加入复合材料纤维进行增强；所述蒙皮弹性模量取值范围为5-20Mpa。

进一步地，所述驱动机构包括液压驱动器、液压驱动杆，所述液压驱动杆与中间的一根梁通过转轴连接；所述驱动机构还包括位移传感器，所述位移传感器固定在液压驱动器侧面安装板上，所述位移传感器拉杆通过连接板与液压驱动杆相连，所述拉杆与液压驱动杆同步运动。

进一步地，所述外翼靠外侧的两条梁上分别固定有外翼前缘和后缘，所述内外翼交界处留有一定的缝隙，当弹翼剪切变后掠后，所述外翼后缘部分进入内翼内部。

本发明还提供了一种剪切变后掠翼面设计方法，包括如下步骤

根据蒙皮承受最大气动压力，给定蒙皮初始尺寸，

以蒙皮初始尺寸为初始值，建立中间为蒙皮、四边为骨架、四个角可自由转动的有限元模型，在蒙皮上垂直施加最大气动压力，通过静力分析，进行蒙皮尺寸和弹性模量的优化；

根据优化后的蒙皮尺寸布置梁、翼肋、桁条，建立翼面有限元模型，将销轴设置为在平面内转动的旋转副，驱动机构施加力矩，推动外翼剪切旋转，获得不同剪切角需要的驱动力矩。

进一步地，所述进行蒙皮尺寸和弹性模量的优化，优化变量是蒙皮的长、宽、厚度和弹性模量，优化目标是蒙皮尺度最大和驱动力矩最小，优化约束条件是在最大气动压力下蒙皮面的变形不超过2mm，弹性模量变化范围5-20Mpa。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明提供了一种翼面剪切变后掠角的实现方式，外翼采用梁和翼肋为骨架，设计成平行四边形，通过控制梁的转动使得外翼在平面内转动，翼肋可以在变后掠过程中始终保持与来流方向平行，即翼型始终保持与来流方向平行，保持了翼型良好的气动特性，在飞行中保证了飞行器在不同后掠角状态下都具有较高的气动效率和低阻力特性；

(2)本发明提供了一种剪切变后掠翼面的蒙皮实现方式，通过柔性蒙皮与翼面骨架的组合，既实现了具有承载能力，又可产生明显的变形。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明具体实施例提供的剪切变后掠翼面结构示意图；

图2为本发明具体实施例提供的外翼骨架结构示意图；

图3为本发明具体实施例提供的翼肋与梁安装示意图；

图4为本发明具体实施例提供的内外翼交界处示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、蒙皮；2、主翼梁；3、翼肋；4、桁条；5、压条；6、销轴；7、液压驱动器；8、液压驱动杆；9、轴承；10、外翼；11、内翼；12、前梁；13、后梁；15、内外翼交界处；16、主翼梁外延杆；17、转轴。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明提供的一种剪切变后掠翼面，包括内翼和外翼，内翼与机身固定，外翼包括平行的至少三根梁和布设在多根梁之间的若干翼肋，翼肋与梁采用销轴连接，翼肋与梁绕销轴转动；外翼一端伸入内翼内部，每根梁装配到与内翼固定的一个转轴上，多个转轴按沿来流方向的直线布置；一根梁延伸到机身内部，连接到驱动机构上。外翼的多根梁与翼肋形成一个平行四边形，当翼面剪切变后掠时，通过驱动机构驱动在外翼所在平面内转动，翼肋与梁之间的夹角会发生变化，从而实现了从翼根到翼稍不同位置的翼肋平行于来流方向前后移动，保证了翼型平行于来流方向。

下面结合附图和一个具体实施例，对本发明的技术方案进行详细阐述。

本发明提供的一种剪切变后掠翼面，包括柔性蒙皮1、主翼梁2、主翼梁外延杆16、前梁12、后梁13、翼肋3、桁条4、压条5、销轴6、液压驱动器7、液压驱动杆8、位移传感器、轴承9、内翼11、外翼10，如图1-3所示。

如图1、2所示，剪切变后掠翼面包含内翼11和外翼10两部分，外翼10实现剪切变后掠运动，内翼11固定不动。外翼10采用梁和翼肋为骨架，连接处采用销轴6连接，梁和翼肋可实现绕销轴6转动。翼肋3之间布置可相对翼肋运动的桁条4，用于支撑蒙皮敷设，桁条4设置在翼肋3边缘的开槽中，桁条4、翼肋3可相对转动。外翼10上下表面采用柔性蒙皮1覆盖，蒙皮用压条5与翼肋3和桁条4固定在一起，翼肋3和桁条4对应位置外都可设有压条5。外翼10一端部分伸入内翼11中，内翼11和外翼10的多根梁之间采用轴承9和转轴连接，内翼与外翼连接的多个转轴沿来流方向按直线布置，剪切变后掠时，翼面始终与来流平行。主翼梁2与内翼11连接的转轴另一侧为与主翼梁一体成型的主翼梁外延杆16，主翼梁外延杆16与液压驱动杆8通过转轴17连接，液压驱动器7安装在飞行器内部。

外翼主翼梁2为主驱动结构，当液压驱动杆伸长时，推动主翼梁外延杆16和主翼梁2向下转动，前梁12和后梁13随主翼梁2同角度转动，通过翼肋3将三根梁连接在一起。

如图3所示，多个翼肋3平行，翼肋3为不规则板状结构，每个翼肋3包括中心孔、两端凸出的限位部，主翼梁2从翼肋中心孔穿过，销轴穿过翼肋、翼肋中心孔中的梁，中心孔留有容纳翼肋与梁相对转动的余量；翼肋3两个限位部分别深入前后梁的限位孔中，销轴穿过梁、梁限位孔中的翼肋限位部，限位孔留有容纳翼肋与梁相对转动的余量。主翼梁2、前梁12、后梁13和翼肋3之间采用销轴连接，销轴6沿竖直方向穿过翼肋3、主翼梁2或者前后梁，梁和翼肋3可在外翼所在平面内转动。当翼面剪切变后掠时，翼肋与梁之间的夹角会发生变化，从而实现了从翼根到翼稍不同位置的翼肋平行于来流方向前后移动，保证了翼型平行于来流方向。

如图2所示，多个翼肋3之间布置桁条4，桁条4与梁平行，翼肋3设置开槽，桁条4嵌入翼肋3的开槽中，开槽留有余量，容纳桁条相对翼肋转动，桁条4用于支撑蒙皮。翼肋3与翼肋之间也可采用销轴连接，桁条与翼肋在外翼所在平面内转动。

蒙皮布设在翼肋、桁条上，外部通过压条5将四周压紧，蒙皮由多个小块组成，其大小取决于翼肋和桁条的密度。蒙皮为柔性蒙皮，采用形状记忆聚合物(SMP)作为柔性蒙皮的基底，同时在蒙皮中加入复合材料纤维进行增强，蒙皮厚度一般为2mm，蒙皮弹性模量E依据加入纤维量的多少可进行调整，一般在5-20Mpa以内。弹性模量和蒙皮尺寸大小的确定需要考虑两方面的因素，一是蒙皮需要有足够的承载能力，以承受飞行中的气动压力，但同时还能实现较大变形，因此需要将蒙皮分成很多小块；二是外翼剪切变后掠所需的驱动力尽量小。

如图4所示，前梁、后梁上分别固定有外翼前缘和后缘，外翼前缘和后缘的后掠角是不同的，但转动部分即前梁、后梁为平行四边形，外翼后缘到外翼根部越来越宽，内外翼交界处15留有一定的缝隙，当弹翼剪切变后掠后，外翼后缘部分可进入内翼。

剪切变后掠翼面驱动机构采用液压驱动器7，液压驱动器7通过液压驱动杆8驱动外翼主翼梁2转动。为了便于转动角度控制，驱动机构还包括位移传感器，位移传感器主体通过螺丝固定在液压驱动器侧面安装板上，位移传感器拉杆通过连接板与液压驱动杆8相连，实现同步运动，进而测量液压驱动杆8直线位移，通过计算可获得主翼梁2转动角度。位移传感器作为模拟量输入通道将液压油缸的位移传给ARM控制器(下位机)，下位机采集并处理信号，将模拟控制信号传输给上位机，上位机发布控制指令给电液比例换向阀，实现对液压驱动器的控制。

本发明还提供了一种剪切变后掠翼面的设计方法，包括如下步骤

(1)设蒙皮承受最大气动压力为Q，依据经验设定柔性蒙皮的初始尺寸。

(2)以蒙皮初始尺寸为初始值，建立中间为蒙皮，四边为骨架(材料属性等效为钢的属性)、四个角可以自由转动的有限元模型，并将蒙皮承受的最大气动压力垂直蒙皮表面施加，然后通过静力分析，进行蒙皮尺寸和弹性模量的优化。

优化变量是蒙皮的长、宽、厚度和弹性模量，优化目标是蒙皮尺度尽可能大和驱动力矩尽量小，优化约束条件是在最大气动压力下蒙皮垂直面的变形不超过2mm，弹性模量变化范围5-20Mpa，通过实现蒙皮尺寸变化时有限元模型各节点位置的变化，采用基于敏度的优化算法可快速确定出兼顾多目标特性的蒙皮尺寸和弹性模量。

(3)然后按此蒙皮尺寸布置翼肋、梁、桁条，并建立完整翼面的有限元模型，同时将每个销轴设置为可以在平面内转动的旋转副，然后在主翼梁外延杆与液压驱动杆处施加力矩，推动外翼剪切旋转，从而获得不同剪切角需要的驱动力矩。

在一个具体实施例中，建立中间为蒙皮，四边为骨架、四个角可以自由转动的有限元模型，模型的初始尺寸为50×50mm，厚度2mm，初始弹性模量设为10Mpa，通过计算在Ma0.75、动压5500Pa是翼面承受最大的气动压强为0.0143Mpa，并将0.0143Mpa的气动压力施加到蒙皮上表面，然后进行优化，优化变量是蒙皮的长、宽、厚度和弹性模量，优化目标是蒙皮尺度尽可能大和驱动力矩尽量小，优化约束条件是在最大气动压力下蒙皮垂直与面的变形不超过2mm，弹性模量变化范围5-20Mpa，通过实现蒙皮尺寸变化时有限元模型各节点位置的变化，采用基于敏度的优化算法可快速确定出兼顾多目标特性的蒙皮尺寸和弹性模量。通过优化分析结果并对各项参数进行圆整处理并综合考虑外翼外形尺寸需求，得到一组较为合理的蒙皮尺寸为30×50mm，弹性模量12Mpa，蒙皮需要200片。

然后按此蒙皮尺寸布置翼肋和梁，并建立完整翼面的有限元模型，同时将每个销轴设置为可以在平面内转动的旋转副，然后在主翼梁外延杆与液压驱动杆处施加力矩，推动外翼剪切旋转，从而获得剪切变后掠角需要的驱动力矩，推动翼面剪切转动1度需要力矩约100Nm。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种剪切变后掠翼面设计方法，其特征在于，所述剪切变后掠翼面包括内翼和外翼，所述内翼与机身固定；所述外翼包括平行的至少三根梁和布设在多根梁之间的若干翼肋，所述翼肋与梁采用销轴连接，所述翼肋、梁绕销轴转动；所述外翼一端伸入内翼内部，每根梁装配到与内翼固定的一个转轴上，多个转轴按沿来流方向的直线布置；一根梁延伸到机身内部，连接到驱动机构上；

所述若干翼肋之间还布置桁条，所述桁条与梁平行，所述桁条嵌入翼肋边缘的开槽中，所述开槽留有余量，容纳桁条相对翼肋转动；

所述外翼上下表面采用柔性蒙皮覆盖，所述蒙皮包括多个小块，所述蒙皮用压条固定在翼肋和桁条上；

所述剪切变后掠翼面设计方法包括如下步骤

根据蒙皮承受最大气动压力，给定蒙皮初始尺寸，

以蒙皮初始尺寸为初始值，建立中间为蒙皮、四边为骨架、四个角可自由转动的有限元模型，在蒙皮上垂直施加最大气动压力，通过静力分析，进行蒙皮尺寸和弹性模量的优化；

根据优化后的蒙皮尺寸布置梁、翼肋、桁条，建立翼面有限元模型，将销轴设置为在平面内转动的旋转副，驱动机构施加力矩，推动外翼剪切旋转，获得不同剪切角需要的驱动力矩。

2.根据权利要求1所述的剪切变后掠翼面设计方法，其特征在于，所述进行蒙皮尺寸和弹性模量的优化，优化变量是蒙皮的长、宽、厚度和弹性模量，优化目标是蒙皮尺度最大和驱动力矩最小，优化约束条件是在最大气动压力下蒙皮面的变形不超过2mm，弹性模量变化范围5-20Mpa。

3.根据权利要求1所述的剪切变后掠翼面设计方法，其特征在于，所述梁为三根，包括主翼梁、前梁、后梁，所述若干翼肋相互平行，所述翼肋为不规则板状结构，每个翼肋包括中心孔、两端凸出的限位部；所述主翼梁从翼肋中心孔穿过，所述销轴穿过翼肋、翼肋中心孔中的梁，所述中心孔留有容纳翼肋与梁相对转动的余量；所述翼肋两个限位部分别伸入前后梁的限位孔中，所述销轴穿过梁、梁限位孔中的翼肋限位部，所述限位孔留有容纳翼肋与梁相对转动的余量。

4.根据权利要求3所述的剪切变后掠翼面设计方法，其特征在于，所述桁条与翼肋通过销轴连接，桁条与翼肋能够相对转动。

5.根据权利要求1所述的剪切变后掠翼面设计方法，其特征在于，所述蒙皮采用形状记忆聚合物作为基底，加入复合材料纤维进行增强；所述蒙皮弹性模量取值范围为5-20Mpa。

6.根据权利要求1所述的剪切变后掠翼面设计方法，其特征在于，所述驱动机构包括液压驱动器、液压驱动杆，所述液压驱动杆与中间的一根梁通过转轴连接；

所述驱动机构还包括位移传感器，所述位移传感器固定在液压驱动器侧面安装板上，所述位移传感器拉杆通过连接板与液压驱动杆相连，所述拉杆与液压驱动杆同步运动。

7.根据权利要求1所述的剪切变后掠翼面设计方法，其特征在于，所述外翼靠外侧的两条梁上分别固定有外翼前缘和后缘，内外翼交界处留有一定的缝隙，当弹翼剪切变后掠后，所述外翼后缘部分进入内翼内部。