一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构

本发明涉及飞行器变形蒙皮、柔顺支撑及轻质结构，具体涉及一种由圆角正交阶梯手性骨架与弹性体在同一厚度层内嵌合形成的刚柔复合变形结构。

背景技术：

1、飞行器变形技术通过主动改变机翼、机身或前体等部位的几何外形，使飞行器能够适应不同飞行状态和任务需求。对于变形前体、变形机身以及其他具有圆柱或近圆柱包络的结构，支撑体不仅需要具备轴向伸缩、弯曲或扭转等柔顺变形能力，还需要为外部连续形面提供必要支撑。因此，如何在较低变形驱动力与一定承载能力之间取得平衡，是圆柱变形结构设计中的重要问题。

2、周期胞元和柔顺梁结构能够通过几何构型调节不同方向的变形能力和刚度，因而被用于变形蒙皮及其支撑结构。正交阶梯类手性胞元通过纵向支撑梁与阶梯形柔顺韧带形成相互正交的承载和变形路径，能够在保持连续骨架的同时获得较大的面内柔顺性。然而，阶梯韧带的相邻子梁通常采用直接正交转折连接，转折处几何变化较为集中，在较大变形条件下容易形成局部高曲率区域，不利于柔顺梁的连续变形和局部应变分布。

3、另一方面，现有变形蒙皮常采用可变形骨架与外覆弹性膜相组合的分层结构，由内部骨架承载并由外部弹性膜维持连续表面。这类结构能够获得较光滑的外形，但骨架与柔性层位于不同的径向层次，结构厚度、界面相对运动以及载荷传递路径均受到层间连接方式影响。若将弹性材料直接嵌入周期骨架的胞元孔隙，使刚性或半刚性骨架与柔性材料在同一厚度层内共同工作，则有利于形成更加紧凑的一体化变形结构。

4、因此，需要提供一种具有可调圆弧过渡特征的正交阶梯手性圆柱支撑骨架，并将弹性材料嵌入骨架孔隙形成刚柔一体结构，在保留不同胞元排列方式和多模式变形能力的同时，改善阶梯韧带转折处的几何连续性，并形成连续的圆柱外表面。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有圆柱变形支撑结构中阶梯柔顺梁转折处几何突变以及骨架与柔性蒙皮分层布置的不足，提供一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构。该结构通过在正交阶梯韧带的两个转折位置设置可调圆弧过渡部，并将弹性填充体嵌入圆筒形柔顺支撑骨架的胞元孔隙，使骨架与弹性填充体在同一径向厚度范围内共同形成变形层，从而兼顾结构连续性、柔顺变形能力和表面完整性。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构，其特征在于：包括圆筒状柔顺支撑骨架和弹性填充体；所述圆筒状柔顺支撑骨架包含多个圆角正交阶梯手性单胞，该多个圆角正交阶梯手性单胞沿骨架轴向和周向周期排布并相互连接；所述弹性填充体填充于所述圆筒状柔顺支撑骨架的胞元孔隙中，所述弹性填充体与圆柱柔顺支撑骨架在同一径向厚度范围内相互嵌合，形成刚柔复合圆柱层；每个所述正交阶梯手性单胞包括相邻设置的纵向支撑梁以及连接于相邻纵向支撑梁之间的圆角正交阶梯韧带。其中纵向支撑梁形成连续的支撑路径，圆角正交阶梯韧带形成主要的柔顺变形路径。

4、所述圆角正交阶梯韧带包括依次连接的第一子梁、第二子梁和第三子梁，第一子梁和第三子梁分别与第二子梁正交；第一子梁与第二子梁的转折连接处设置第一圆弧过渡部，第二子梁与第三子梁的转折连接处设置第二圆弧过渡部，第一圆弧过渡部和第二圆弧过渡部具有相同的圆角半径并呈180°旋转对称布置。

5、进一步的，第一子梁与第三子梁的长度相等，圆角半径可在结构允许范围内调节，可选地，第一圆弧过渡部和第二圆弧过渡部的圆角半径大于零且不大于第一子梁长度的一半。当圆角半径为零时，两个圆弧过渡部退化为直接正交转折，形成无圆角的正交阶梯构型；随着圆角半径增大，第一子梁和第三子梁中的直线段逐渐缩短，圆弧过渡区域逐渐增大。在第二子梁长度足以避免两个圆弧过渡部相互干涉的条件下，当圆角直径等于第一子梁或第三子梁的长度时，第一子梁和第三子梁达到完全圆弧化的极限构型。

6、进一步的，多个圆角正交阶梯手性单胞可采用三种排列方式。

7、可选地，第一排列方式为同向排列，所述多个圆角正交阶梯手性单胞沿圆柱轴向和周向相邻的圆角正交阶梯手性单胞均保持相同的手性方向。

8、第二排列方式为轴向交替排列，多个圆角正交阶梯手性单胞沿骨架轴向相邻的圆角正交阶梯手性单胞互为镜像，沿骨架周向相邻的圆角正交阶梯手性单胞保持相同的手性方向。该种排列方式使完整轴向重复周期包含一正一反两个单胞。

9、第三排列方式为双向交替排列，包含完整的镜像重复周期，多个圆角正交阶梯手性单胞沿骨架轴向相邻的圆角正交阶梯手性单胞互为镜像，沿骨架周向相邻的圆角正交阶梯手性单胞互为镜像。

10、进一步的，所述弹性填充体填充至圆柱柔顺支撑骨架的全部胞元孔隙；或者根据骨架结构不同区域的变形和承载需求选择性填充圆柱柔顺支撑骨架的部分胞元孔隙。弹性填充体的外表面优选与圆柱柔顺支撑骨架的外侧边缘齐平，以共同形成连续圆柱外表面

11、进一步的，所述弹性填充体的材质为硅橡胶、聚氨酯弹性体或其他具有大弹性变形能力的柔性材料；所述圆柱柔顺支撑骨架的材质为金属材料、工程聚合物材料或纤维增强复合材料。圆筒形柔顺支撑骨架可通过增材制造一体成形，也可由平面周期阵列沿周向弯曲并首尾相连而成；弹性填充体可通过浇注固化或粘接方式与骨架形成结合界面。

12、所述刚柔复合变形结构在外部驱动或边界位移作用下能够产生轴向伸缩、整体弯曲或扭转变形。通过调节胞元几何尺寸、圆角半径、轴向和周向胞元数量、单胞排列方式以及弹性填充区域，可对结构的变形能力和承载特性进行调节。

13、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

14、1、在正交阶梯韧带的两个转折连接位置设置圆弧过渡部，并通过圆角半径调节转折区域的几何形态，使阶梯韧带能够由直接正交转折连续过渡至高度圆弧化构型，有利于减弱转折处的局部几何突变并改善柔顺梁的连续变形。

15、2、弹性填充体直接嵌入圆柱柔顺支撑骨架的胞元孔隙，骨架与弹性体位于同一径向厚度范围内并共同形成刚柔复合层，无需在骨架外侧另设独立的厚弹性支撑层，有利于缩短载荷传递路径、提高结构紧凑性，并形成连续圆筒外表面。

16、3、同一圆角正交阶梯手性单胞可通过改变相邻单胞的手性方向及周期排列关系形成同向排列、轴向交替排列和双向交替排列三类构型。其中，同向排列可保持较高柔顺性并产生轴向伸缩—扭转耦合响应；轴向交替排列能够在保持较高轴向柔顺性的同时抑制相邻单胞的横向及扭转耦合，形成近零泊松比响应；双向交替排列能够进一步抑制轴向和周向的耦合变形，获得较高结构刚度和更稳定的零泊松比变形特性。由此，可在不改变基本胞元组成的情况下，通过排列方式调节圆柱柔顺支撑骨架的整体变形模式及刚度特性。

17、4、圆角半径、胞元数量、骨架材料及弹性填充区域均可根据实际变形和承载需求进行调整，结构具有较好的参数可设计性，可用于飞行器变形前体、变形机身以及其他需要连续圆柱形面和多模式变形能力的结构。例如：需要轴向伸缩、弯曲或扭转变形并兼顾连续外形与承载能力的飞行器变形蒙皮及圆柱支撑结构。

1.一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构，其特征在于：包括圆筒状柔顺支撑骨架（1）和弹性填充体（2）；所述圆筒状柔顺支撑骨架（1）包含多个圆角正交阶梯手性单胞（3），该多个圆角正交阶梯手性单胞（3）沿骨架轴向和周向周期排布并相互连接；所述弹性填充体（2）填充于所述圆筒状柔顺支撑骨架（1）的胞元孔隙中；每个所述正交阶梯手性单胞（3）包括相邻设置的纵向支撑梁（4）以及连接于相邻纵向支撑梁（4）之间的圆角正交阶梯韧带（5）；所述圆角正交阶梯韧带（5）包括依次连接的第一子梁（6）、第二子梁（7）和第三子梁（8），第一子梁（6）和第三子梁（8）分别与第二子梁（7）正交；第一子梁（6）与第二子梁（7）的转折连接处设置第一圆弧过渡部（9），第二子梁（7）与第三子梁（8）的转折连接处设置第二圆弧过渡部（10），第一圆弧过渡部（9）和第二圆弧过渡部（10）具有相同的圆角半径并呈180°旋转对称布置。

2.根据权利要求1所述的一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构，其特征在于：所述第一子梁（6）与第三子梁（8）的长度相等，第一圆弧过渡部（9）和第二圆弧过渡部（10）的圆角半径圆角半径可在结构允许范围内调节。

3.根据权利要求3所述的一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构，其特征在于：在第二子梁（7）的长度满足第一圆弧过渡部（9）和第二圆弧过渡部（10）互不干涉的条件下，当所述圆角半径等于第一子梁（6）长度的一半时，第一子梁（6）和第三子梁（8）形成完全圆弧化构型。

4.根据权利要求1所述的一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构，其特征在于：所述多个圆角正交阶梯手性单胞（3）采用同向排列方式，沿圆柱轴向和周向相邻的圆角正交阶梯手性单胞（3）均保持相同的手性方向。

5.根据权利要求1所述的一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构，其特征在于：所述多个圆角正交阶梯手性单胞（3）采用轴向交替排列方式，沿骨架轴向相邻的圆角正交阶梯手性单胞（3）互为镜像，沿骨架周向相邻的圆角正交阶梯手性单胞（3）保持相同的手性方向。

6.根据权利要求1所述的一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构，其特征在于：所述多个圆角正交阶梯手性单胞（3）采用双向交替排列方式，沿骨架轴向相邻的圆角正交阶梯手性单胞（3）互为镜像，沿骨架周向相邻的圆角正交阶梯手性单胞（3）互为镜像。

7.根据权利要求1所述的一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构，其特征在于：所述弹性填充体（2）填充至圆筒状柔顺支撑骨架（1）的全部胞元孔隙；或者根据骨架结构不同区域的变形和承载需求选择性填充圆柱柔顺支撑骨架（1）的部分胞元孔隙。

8.根据权利要求1所述的一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构，其特征在于：所述弹性填充体（2）的外表面与圆筒状柔顺支撑骨架（1）的外侧边缘齐平，共同形成连续的圆柱外表面。

9.根据权利要求1所述的一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构，其特征在于：所述弹性填充体（2）的材质为硅橡胶或聚氨酯弹性体，弹性填充体（2）通过浇注固化或粘接方式与圆柱柔顺支撑骨架（1）形成结合界面。

10.根据权利要求1所述的一种圆角正交阶梯手性刚柔复合变形结构，其特征在于：所述圆筒状柔顺支撑骨架（1）的材质为金属材料、工程聚合物材料或纤维增强复合材料，并通过增材制造一体成形，或者由平面周期阵列沿周向弯曲并首尾相接而成。