一种基于点阵波纹结构的柔性蒙皮

1.本发明提供一种基于点阵波纹结构的柔性蒙皮，属于航空结构设计领域。
技术背景
2.在变体飞机领域，变体机翼是指可以改变机翼几何外形，达到整个飞行任务内各个任务剖面气动效益最优的飞行器。无论什么样式的变体机翼，都需要一种具备面外承载能力和面内大变形能力的柔性蒙皮。目前，国内外存在多种使用智能材料或结构做成的柔性蒙皮，但这些柔性蒙皮结构存在结构复杂、重量大、变形响应慢等问题。因此，本发明提供一种基于点阵波纹结构的柔性蒙皮，该蒙皮由点阵波纹结构和弹性体层组成，具备结构简单、重量轻的优点。该蒙皮沿波纹方向具备良好拉伸、弯曲变形能力，垂直波纹方向具备良好的承载能力，并且在变形过程中可以维持光滑的气动外形，具有很强的实用性。


技术实现要素：

3.1、目的：本发明的目的在于提供一种具备面外承载能力，维持翼面光滑的气动外形并且可以实现大变形能力的基于点阵波纹结构的柔性蒙皮。
4.2、技术方案：本发明由点阵波纹结构、弹性体层组成。它们的连接关系如下：(1)点阵波纹结构由波纹板和连接杆组合得到，波纹板横截面为连续的波纹单元，波纹单元形状为将多个波纹板阵列，其间通过连接杆连接形成点阵波纹结构，点阵波纹结构外侧为单个波纹板，、内部为两两相对的波纹板，其波谷与波谷连接，横截面形状为连接杆两段与外侧波纹板波峰处连接，且同时连接波纹板相邻波纹单元与横向各个波纹板，形成点阵波纹结构；(2)弹性体层紧密覆盖在点阵波纹结构表面。上述点阵波纹结构沿波纹方向具备大变形能力，垂直于波纹方向具备一定的面内刚度，用以承载气动载荷；弹性体层表面光滑且具有良好的弹性，贴合在点阵波纹结构表面，确保点阵波纹结构柔性蒙皮在变形过程中具有光滑的气动外形。
5.其中，点阵波纹结构为聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯砜、聚醚醚酮，和碳纤维、玻璃纤维、kevlar纤维和硼纤维制成的单向带层合板及编织材料板。
6.其中，弹性体层为硅橡胶、丁腈橡胶、纤维增强硅橡胶、纤维增强丁腈橡胶、压电纤维硅橡胶复合材料和压电纤维丁腈橡胶复合材料。
7.3、优点及功效：本发明是一种基于点阵波纹结构的柔性蒙皮，利用波纹板各向异性的特性，通过巧妙方式阵列组合成点阵波纹结构并覆盖弹性体层，使得蒙皮具有良好的大变形能力、一定的面外刚度和光滑的气动外形。本发明结构简单、重量轻，是一种实用可行的变体机翼柔性蒙皮方案。
附图说明
8.图1是正常状态下波纹板示意图。
9.图2是拉伸状态下波纹板示意图。
10.图3是正常状态下点阵波纹结构示意图。
11.图4是拉伸状态下点阵波纹结构示意图。
12.图5是正常状态下基于点阵波纹结构的柔性蒙皮示意图。
13.图6是拉伸状态下基于点阵波纹结构的柔性蒙皮示意图。
14.图1中：1.波纹单元。
15.图2中：f为拉伸载荷。
16.图3中：2.连接杆。
17.图4中：f为拉伸载荷。
18.图5中：3.弹性体层，4.点阵波纹结构。
19.图6中：f为拉伸载荷。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施实例对本发明做出进一步的说明。
21.本发明一种基于点阵波纹结构的柔性蒙皮由点阵波纹结构和弹性体层组成。点阵波纹结构4为波纹板和连接杆2组合得到，其中，波纹板横截面为连续的波纹单元1组成(如图1所示)。波纹板为聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯砜、聚醚醚酮，和碳纤维、玻璃纤维、kevlar纤维和硼纤维制成的单向带层合板及编织材料板。波纹板具有各向异性，沿波纹方向刚度较小，当给波纹板沿波纹方向施加一定拉伸载荷时，波纹板会产生大拉伸变形(如图2所示)，波纹板在垂直于波纹方向刚度较大，具备承载能力。将波纹板阵列并通过连接杆连接得到点阵波纹结构，点阵波纹结构外侧为单个波纹板，内部波纹板两两相对并且波谷与波谷连接，横截面形状为连接件两端与点阵波纹结构外侧波纹板波峰连接，且同时连接各个波纹板相邻波纹单元与横向各个波纹板(如图3所示)。点阵波纹结构在沿波纹方向(即纵向)施加一定拉伸载荷时，沿波纹方向可以产生大变形(如图4所示)，而在横向因为连接杆的存在，不会产生大的变形。在垂直于波纹方向上，波纹板和连接杆具备一定刚度，因此点阵波纹结构具备一定的承载能力。弹性体层3覆盖在点阵波纹结构表面(如图5所示)，弹性体层为硅橡胶、丁腈橡胶、纤维增强硅橡胶、纤维增强丁腈橡胶、压电纤维硅橡胶复合材料和压电纤维丁腈橡胶复合材料。弹性体层具备良好的弹性和光滑的表面。当沿波纹方向给一定拉力时，基于点阵波纹结构的柔性蒙皮可以产生大的拉伸变形，其表面覆盖的弹性体层因为自身的弹性随之产生拉伸变形(如图6所示)，确保柔性蒙皮在变形过程翼面光滑。而在垂直于波纹方向上，因为波纹板与连接杆的支撑作用，柔性蒙皮可以承载面外气动载荷，维持其气动外形。点阵波纹结构与弹性体层组成的柔性蒙皮具备大变形能力和承载面外气动载荷能力，在变形的同时可以保持光滑气动外形。


技术特征：
1.一种基于点阵波纹结构的柔性蒙皮，其特征在于：由点阵波纹结构和弹性体层组成；它们的连接关系如下：(1)点阵波纹结构由波纹板阵列得到，点阵波纹结构内部波纹板两两相对通过波谷连接，利用连接杆连接各波纹单元与波纹板；(2)弹性体层紧密贴合在点阵波纹结构上；波纹结构在沿波纹方向上刚度较小，垂直于波纹方向具备较大刚度，点阵波纹结构在沿波纹方向施加一定拉伸载荷可以产生大变形，而在垂直于波纹方向，波纹板和连接杆具备承载能力，弹性体层具备良好的弹性和光滑的表面，所以基于点阵波纹结构的柔性蒙皮具备大变形能力和抵抗面外气动载荷的能力，并且在变形过程可以保持光滑的气动表面。

技术总结
一种基于点阵波纹结构的柔性蒙皮，由点阵波纹结构、弹性体层组成。其连接关系如下：将波纹板巧妙阵列得到点阵波纹结构，点阵波纹结构内部波纹板两两相对通过波谷连接，利用连接杆连接各波纹单元与波纹板，在点阵波纹结构表面覆盖弹性体层。本发明利用波纹结构各向异性的特性，巧妙用于柔性蒙皮，使蒙皮具备大变形能力的同时，能够承载面外气动载荷并保持光滑气动表面，具备结构简单、重量轻的优点，是一种实用可行的变体机翼柔性蒙皮方案。用可行的变体机翼柔性蒙皮方案。用可行的变体机翼柔性蒙皮方案。


技术研发人员：白江波 曹鹏程 刘天伟 高连生
受保护的技术使用者：北京航空航天大学江西研究院景德镇分院
技术研发日：2022.04.19
技术公布日：2022/6/7