一种多稳态复合材料结构驱动的后缘变弯度机翼

1.本发明涉及了一种后缘变弯度机翼，具体涉及一种多稳态复合材料结构驱动的后缘变弯度机翼。


背景技术：

2.复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、力学性能优良、耐腐蚀等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、电子电气、建筑等领域，在近年更是得到了飞速发展，成为研究的一大热点。
3.多稳态复合材料结构作为一种新型的智能可变形结构，由碳纤维增强复合材料制备而成，并且由于多稳态复合材料结构自身具备的轻质、力学性能优异、空间利用率高、可维持多个稳定状态等优点，被应用于可展开太阳能帆、飞行器的变形蒙皮等多个领域中，然而将多稳态复合材料结构应用于机翼的后缘变弯度的研究尚存空白。
4.传统固定外形的飞行器机翼能保证其在固定飞行任务和优先飞行条件下，拥有较高的气动效率。但随着飞行距离、飞行高度的提升以及飞行任务的多样化，机翼难以在复杂、恶劣的飞行工况下保持较好的气动效率。可变形机翼为改善机翼在多种飞行工况下的适应性，提供了一种全新的解决思路。这也是当前国内外航空航天领域研究的热点，是可能带来航空航天领域重大变革的技术发展趋势之一。
5.目前的后缘变弯度机翼设计方案主要还是以机械结构为主，柔性智能结构依然缺乏。但刚性机械变形结构质量较大，结构设计复杂，这就导致了变形带来的气动效率大部分被结构质量增加而抵消。此后缘变弯度机翼及其变形结构的柔性化、轻量化是目前所关注的重点，也是本发明的重要出发点。


技术实现要素：

6.为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种结构简单、控制方便、结构质量轻的多稳态复合材料结构驱动的后缘变弯度机翼。
7.本发明采用的技术方案是：
8.本发明尾缘变弯度机翼包括机翼框架和一个或多个多稳态复合材料件，多稳态复合材料件均固定安装在机翼框架内。
9.所述的机翼框架包括若干机翼架、第一肋条和第二肋条；各个机翼架均匀间隔平行布置，各个机翼架的前缘连接形成一体；各个机翼架的中部上侧之间通过一根水平的第一肋条连接固定，各个机翼架靠近尾缘处的下侧之间通过第二肋条连接固定；使得尾缘变弯度机翼具有更好的稳定性，加强了尾缘变弯度机翼的机构强度，并为多稳态复合材料件预留出装配空间。
10.所述的多稳态复合材料件为矩形板状结构，所有多稳态复合材料件位于第一肋条
和第二肋条之间，并通过第一肋条和第二肋条布置在机翼框架的各个机翼架内。
11.所述的每个机翼架均由可弹性形变的一块条形板件在竖直平面内围成；机翼架的纵截面为类水滴状，机翼架的前缘为弧形，机翼架的尾缘折弯形成锐角。
12.各个机翼架的条形板件的中部上侧底面通过一根水平的第一肋条连接固定，各个机翼架的条形板件的中部下侧顶面通过一根水平的第二肋条连接固定；第一肋条和第二肋条相互平行且均沿尾缘变弯度机翼的宽度方向布置。
13.第一肋条和第二肋条的长度等于尾缘变弯度机翼的宽度。
14.所述的尾缘变弯度机翼还包括若干硅胶连接件。
15.所述的每个机翼架的条形板件均由一条条形板和一条波纹板连接形成一体，条形板的两端分别连接波纹板的两端。
16.每个机翼架的条形板件下侧的条形板上的相同位置处均开设一个缓冲缺口，缓冲缺口位于第一肋条和第二肋条之间且靠近第二肋条，每个缓冲缺口的两端均填充连接有一个硅胶连接件。
17.每个波纹板位于各自的条形板件下侧的相同位置处，并位于第一肋条和第二肋条之间且远离第二肋条。
18.波纹板的长度大于缓冲缺口的长度，有助于尾缘变弯度机翼在变形过程中具有更好的顺从性。
19.由于机翼框架上存在若干缓冲缺口，在多稳态复合材料件的作用下，通过多稳态复合材料件的多个稳态转变，对缓冲缺口进行撑开，从而使得机翼框架的尾缘上翘，实现尾缘变弯度机翼尾缘的弯度变化。
20.通硅胶连接件填充于缓冲缺口内，使尾缘变弯度机翼的尾缘角度变化时下侧结构不产生破坏且具备一定的伸长量。
21.波纹板在尾缘变弯度机翼尾缘的弯度变化过程中，在力的传递下作为机翼框架的变形弯折点，用于提升尾缘变弯度机翼的可变形性和柔顺性；由于硅胶连接件的变形量较小，使得尾缘变弯度机翼的尾缘上翘量较小，从而确保波纹板在弯折过程中变形量较小，使得尾缘变弯度机翼的整体具有更好的稳定性。
22.所述的多稳态复合材料件的数量为一个时，多稳态复合材料件平行于第一肋条的对称两侧边分别固定连接第一肋条和第二肋条。
23.当多稳态复合材料件的数量为多个时，各个多稳态复合材料件沿尾缘变弯度机翼的宽度方向均匀间隔布置，每个多稳态复合材料件平行于第一肋条的对称两侧边均分别固定连接第一肋条和第二肋条。
24.所述的每个多稳态复合材料件在未变形状态下均为弯曲的矩形板状结构，此时多稳态复合材料件的中部向波纹板靠近使得多稳态复合材料件形成弧形弯曲，此时波纹板和硅胶连接件均为原始状态。
25.朝上对未变形状态下的每个多稳态复合材料件施加外部激励后，多稳态复合材料件发生稳态弹性转变为变形状态，此时多稳态复合材料件的中部向波纹板远离使得多稳态复合材料件形成弧形弯曲，多稳态复合材料件连接第一肋条和第二肋条的两侧边将第一肋条和第二肋条向相反的方向顶开，使得每个机翼架的缓冲缺口处的硅胶连接件弹性撑开，每个波纹板弹性弯曲，从而使得尾缘变弯度机翼的尾缘角度从原始角度改变为变形角度。
26.朝下对变形状态下的多稳态复合材料件施加反向外部激励使得变形状态下的多稳态复合材料件恢复为未变形状态，此时波纹板和硅胶连接件均恢复为原始状态，从而使得尾缘变弯度机翼的尾缘角度从变形角度恢复为原始角度。
27.还包括两个机翼侧板，两个机翼侧板分别与机翼框架最外侧的两个机翼架的前缘连接形成一体，并平行于机翼架所在的竖直平面。
28.每个机翼侧板上均开设有若干安装孔，尾缘变弯度机翼通过安装孔安装在飞机机身上作为飞机的侧翼；所述的飞机具体可为中小型固定翼型无人机。
29.具体实施中，当尾缘变弯度机翼安装在飞机机身上时，通过介电材料、气动肌肉或形状记忆合金对多稳态复合材料件施加外部激励使得尾缘变弯度机翼的尾缘角度改变。
30.还包括若干前缘支撑板、中部支撑板和尾缘支撑板，各个前缘支撑板、中部支撑板和尾缘支撑板均沿尾缘变弯度机翼的高度方向布置。
31.每个机翼架靠近前缘的上下两内侧面之间均固定连接并支撑有一块前缘支撑板，机翼框架最外侧的两个机翼架的前缘支撑板与各自的一块机翼侧板连接形成一体。
32.每个机翼架中部的上下两内侧面之间均支撑有一块中部支撑板，中部支撑板的上端固定连接第一肋条，中部支撑板的下端固定连接机翼架的内侧面。
33.每个机翼架靠近尾缘的上下两内侧面之间均支撑有一块尾缘支撑板，尾缘支撑板的上端固定连接机翼架的内侧面，尾缘支撑板的下端固定连接第二肋条。
34.所述的多稳态复合材料件的材料为碳纤维环氧树脂复合材料。
35.所述的硅胶连接件的材料为双组分室温硫化硅橡胶。
36.所述的机翼框架、机翼侧板、第一肋条和第二肋条均由3d打印制备而成。
37.多稳态复合材料件的制备方法包括如下步骤：
38.1)获取四层相同的矩形t700碳纤维环氧树脂复合材料层。
39.2)将四层碳纤维环氧树脂复合材料层从下至上依次铺设粘接构成弯曲的板状层叠结构，铺设时层叠结构的下两层碳纤维环氧树脂复合材料层的纤维方向沿尾缘变弯度机翼的长度方向，上两层碳纤维环氧树脂复合材料层的纤维方向沿尾缘变弯度机翼的宽度方向；上述铺设方式有助于多稳态复合材料结构呈现出期望的稳态构型和获得理想的力学性能。
40.3)将层叠结构放入热压罐中，在0.6mpa的压力和180℃的温度下固化3h后取出，在常温下冷却，获得弯曲的板状多稳态复合材料件。
41.本发明的有益效果是：
42.1、结构简单，使用多稳态复合材料结构作为驱动结构主体，制备容易，装配简单；
43.2、控制方便，采用多种驱动方式或激励方式中的任意一种，都可以实现对多稳态复合材料结构的稳态控制，进而控制机翼尾缘的变形角度；
44.3、结构质量轻，多稳态复合材料结构的厚度仅为0.4mm。整体驱动结构自重较轻，结构强度高；
45.4、节约能源，多稳态复合材料结构不需要持续的外部能源输入，在结构实现转变稳态后，就可以自主维持稳态构型。
附图说明
46.图1为本发明的结构示意图；
47.图2为本发明的主视图；
48.图3为本发明的俯视图；
49.图4为机翼框架的未变形状态图；
50.图5为机翼框架的变形状态图；
51.图中：1、机翼框架，2、机翼侧板，3-1、第一肋条，3-2、第二肋条，4、波纹板，5、安装孔，6、多稳态复合材料件，7、硅胶连接件，8、缓冲缺口，9支撑板。
具体实施方式
52.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
53.如图1、图2和图3所示，本发明尾缘变弯度机翼包括机翼框架1和一个或多个多稳态复合材料件6，多稳态复合材料件6均固定安装在机翼框架1内；机翼框架1包括若干机翼架、第一肋条3-1和第二肋条3-2；各个机翼架均匀间隔平行布置，各个机翼架的前缘连接形成一体；各个机翼架的中部上侧之间通过一根水平的第一肋条3-1连接固定，各个机翼架靠近尾缘处的下侧之间通过第二肋条3-2连接固定；使得尾缘变弯度机翼具有更好的稳定性，加强了尾缘变弯度机翼的机构强度，并为多稳态复合材料件6预留出装配空间。
54.每个机翼架均由可弹性形变的一块条形板件在竖直平面内围成；机翼架的纵截面为类水滴状，机翼架的前缘为弧形，机翼架的尾缘折弯形成锐角。各个机翼架的条形板件的中部上侧底面通过一根水平的第一肋条3-1连接固定，各个机翼架的条形板件的中部下侧顶面通过一根水平的第二肋条3-2连接固定；第一肋条3-1和第二肋条3-2相互平行且均沿尾缘变弯度机翼的宽度方向布置。第一肋条3-1和第二肋条3-2的长度等于尾缘变弯度机翼的宽度。
55.尾缘变弯度机翼还包括若干硅胶连接件7；每个机翼架的条形板件均由一条条形板和一条波纹板4连接形成一体，条形板的两端分别连接波纹板4的两端；每个机翼架的条形板件下侧的条形板上的相同位置处均开设一个缓冲缺口8，缓冲缺口8位于第一肋条3-1和第二肋条3-2之间且靠近第二肋条3-2，每个缓冲缺口8的两端均填充连接有一个硅胶连接件7；硅胶连接件7的材料为双组分室温硫化硅橡胶。机翼框架1、机翼侧板2、第一肋条3-1和第二肋条3-2均由3d打印制备而成。
56.每个波纹板4位于各自的条形板件下侧的相同位置处，并位于第一肋条3-1和第二肋条3-2之间且远离第二肋条3-2；波纹板4的长度大于缓冲缺口8的长度，有助于尾缘变弯度机翼在变形过程中具有更好的顺从性。
57.由于机翼框架1上存在若干缓冲缺口8，在多稳态复合材料件6的作用下，通过多稳态复合材料件6的多个稳态转变，对缓冲缺口8进行撑开，从而使得机翼框架1的尾缘上翘，实现尾缘变弯度机翼尾缘的弯度变化。通硅胶连接件7填充于缓冲缺口8内，使尾缘变弯度机翼的尾缘角度变化时下侧结构不产生破坏且具备一定的伸长量。
58.波纹板4在尾缘变弯度机翼尾缘的弯度变化过程中，在力的传递下作为机翼框架1的变形弯折点，用于提升尾缘变弯度机翼的可变形性和柔顺性；由于硅胶连接件7的变形量较小，使得尾缘变弯度机翼的尾缘上翘量较小，从而确保波纹板4在弯折过程中变形量较
小，使得尾缘变弯度机翼的整体具有更好的稳定性。
59.尾缘变弯度机翼还包括两个机翼侧板2，两个机翼侧板2分别与机翼框架1最外侧的两个机翼架的前缘连接形成一体，并平行于机翼架所在的竖直平面；每个机翼侧板2上均开设有若干安装孔5，尾缘变弯度机翼通过安装孔5安装在飞机机身上作为飞机的侧翼；所述的飞机具体可为中小型固定翼型无人机。具体实施中，当尾缘变弯度机翼安装在飞机机身上时，通过介电材料、气动肌肉或形状记忆合金对多稳态复合材料件6施加外部激励使得尾缘变弯度机翼的尾缘角度改变。
60.尾缘变弯度机翼还包括若干前缘支撑板、中部支撑板和尾缘支撑板，各个前缘支撑板、中部支撑板和尾缘支撑板均沿尾缘变弯度机翼的高度方向布置；每个机翼架靠近前缘的上下两内侧面之间均固定连接并支撑有一块前缘支撑板，机翼框架1最外侧的两个机翼架的前缘支撑板与各自的一块机翼侧板2连接形成一体；每个机翼架中部的上下两内侧面之间均支撑有一块中部支撑板，中部支撑板的上端固定连接第一肋条3-1，中部支撑板的下端固定连接机翼架的内侧面；每个机翼架靠近尾缘的上下两内侧面之间均支撑有一块尾缘支撑板，尾缘支撑板的上端固定连接机翼架的内侧面，尾缘支撑板的下端固定连接第二肋条3-2。
61.多稳态复合材料件6为矩形板状结构，所有多稳态复合材料件6位于第一肋条3-1和第二肋条3-2之间，并通过第一肋条3-1和第二肋条3-2布置在机翼框架1的各个机翼架内。多稳态复合材料件6的材料为碳纤维环氧树脂复合材料。
62.多稳态复合材料件6的数量为一个时，多稳态复合材料件6平行于第一肋条3-1的对称两侧边分别固定连接第一肋条3-1和第二肋条3-2；如图4和图5所示，当多稳态复合材料件6的数量为多个时，各个多稳态复合材料件6沿尾缘变弯度机翼的宽度方向均匀间隔布置，每个多稳态复合材料件6平行于第一肋条3-1的对称两侧边均分别固定连接第一肋条3-1和第二肋条3-2。
63.如图4所示，每个多稳态复合材料件6在未变形状态下均为弯曲的矩形板状结构，此时多稳态复合材料件6的中部向波纹板4靠近使得多稳态复合材料件6形成弧形弯曲，此时波纹板4和硅胶连接件7均为原始状态。
64.如图5所示，朝上对未变形状态下的每个多稳态复合材料件6施加外部激励后，多稳态复合材料件6发生稳态弹性转变为变形状态，此时多稳态复合材料件6的中部向波纹板4远离使得多稳态复合材料件6形成弧形弯曲，多稳态复合材料件6连接第一肋条3-1和第二肋条3-2的两侧边将第一肋条3-1和第二肋条3-2向相反的方向顶开，使得每个机翼架的缓冲缺口8处的硅胶连接件7弹性撑开，每个波纹板4弹性弯曲，从而使得尾缘变弯度机翼的尾缘角度从原始角度改变为变形角度。
65.朝下对变形状态下的多稳态复合材料件6施加反向外部激励使得变形状态下的多稳态复合材料件6恢复为未变形状态，此时波纹板4和硅胶连接件7均恢复为原始状态，从而使得尾缘变弯度机翼的尾缘角度从变形角度恢复为原始角度。
66.本发明多稳态复合材料件的制备方法包括如下步骤：
67.1)获取四层相同的矩形t700碳纤维环氧树脂复合材料层。
68.2)将四层碳纤维环氧树脂复合材料层从下至上依次铺设粘接构成弯曲的板状层叠结构，铺设时层叠结构的下两层碳纤维环氧树脂复合材料层的纤维方向沿尾缘变弯度机
翼的长度方向，上两层碳纤维环氧树脂复合材料层的纤维方向沿尾缘变弯度机翼的宽度方向；上述铺设方式有助于多稳态复合材料结构呈现出期望的稳态构型和获得理想的力学性能。
69.3)将层叠结构放入热压罐中，在0.6mpa的压力和180℃的温度下固化3h后取出，在常温下冷却，获得弯曲的板状多稳态复合材料件6。
70.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
71.尽管本文较多地使用了图中附图标记等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。