一种基于枣核形双层可变形蜂窝的柔性蒙皮

1.本发明属于变体飞机柔性结构设计领域，具体涉及一种基于双层可变形蜂窝的柔性蒙皮结构。


背景技术：

2.变体飞机可以在飞行过程中实时改变飞机结构的形状，以便在不同飞行状态下做不同飞行动作时都具有最佳的气动性能。柔性蒙皮技术是实现飞机变体的关键技术之一，其技术难点体现在以下几个方面：1、柔性蒙皮在面内要能经受住很大的变形；2、要有足够的面外刚度，承受气动载荷；3、蒙皮的表面要光顺。近来很长一段时间，柔性蒙皮设计技术受到广泛关注。
3.常规蒙皮的面内变形能力与面外承载能力是相互矛盾的，而且变形能力很小。为解决柔性蒙皮面内变形与面外刚度的矛盾，人们研究了多种巧妙的结构形式，如“鱼鳞叠片”柔性蒙皮，波纹结构柔性蒙皮，具有较好的变形和承载能力，但是均存在表面光滑性和面外刚度问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，可变形蜂窝支承弹性胶膜的结构方案具有质量轻、面内变形大且面外承载能力强的特点，是比较理想的结构形式之一，因此本发明提出一种柔性蒙皮结构，本发明的柔性蒙皮结构能解决柔性蒙皮面内变形和面外承载以及表面光顺的问题。该柔性蒙皮可设计性强，便于加工。
5.本发明是这样实现的：
6.一种基于枣核形双层可变形蜂窝的柔性蒙皮，其特征在于，所述的柔性蒙皮包括可变形支撑骨架、柔性填充和弹性表层；所述的柔性填充采用硅胶发泡，弹性表层为硅胶面板，可变形支撑骨架为枣核形双层可变形蜂窝；以硅胶发泡的形式在可变形蜂窝的孔隙处进行填充，再在表面覆盖硅胶面板，则发泡硅胶和硅胶面板连接成一体，得到表面光顺平滑的柔性蒙皮结构；
7.由弹性单元组合排列成枣核形双层可变形蜂窝；所述的弹性单元包括连接板、与连接板连接的弯曲板、弯曲板上的切缝以及弯曲板的根部的止裂孔；所述的弯曲板包括处于不同层面的弯曲板，不同层面的弯曲板向不同方向弯曲但均垂直于弯曲板的板面；相邻弹性单元的同一层面上的弯曲板端部焊接构成单胞，弹性单元排成列后，其中的弯曲板产生弯曲变形，保证蒙皮的面内变形能力；受面外载荷作用时，各弯曲板与连接板的立面提供面外刚度，使柔性蒙皮具有面外承载能力。
8.进一步，所述的弹性单元长为a 2b，宽为h，厚度为t，其中a是连接板的长度，b是上下两端弯曲板的长度；在弯曲板宽度方向的h/2处形成长度b、宽度为d的切缝，将弯曲板切开，构成两个层面的弯曲板，分别为上层弯曲板、下层弯曲板；或者在弯曲板宽度方向的1/4h处和3/4h处形成两条长度b、宽度为d的切缝，将弯曲板切开，构成三个层面的弯曲板，即
上层弯曲板、中层弯曲板、下层弯曲板；所述的止裂孔的直径d，d为切缝宽度d的3倍以上。
9.进一步，弹性单元组合排列成双层可变形蜂窝结构，包括上层可变形蜂窝、下层可变形蜂窝；双层可变形蜂窝结构长为l＝n(a 2b)，宽为w＝(m 1)c，n为弹性单元的行数，m为弹性单元的列数，c为相邻两列弹性单元的间距，c决定弯曲板的初始弯曲形状；上层可变形蜂窝初始向一侧弯曲c/2，下层可变形蜂窝初始向另一侧弯曲c/2。
10.进一步，通过调整参数m、n、a、b、h和t，改变枣核形单胞的变形效果与承载能力；根据柔性蒙皮的面外承载要求，设m列弹性单元的总宽度为w，将m列弹性单元合为一根梁来计算承载能力；在所给位移限制下，通过材料力学梁的挠度公式，算出梁的宽度和高度；由于可变形蜂窝分层，面外抗弯刚度存在折算系数，双层可变形蜂窝的面外刚度为不分层情况下的1/4，三层可变形蜂窝的面外刚度为不分层情况下的5/32；再根据可变形蜂窝孔隙大小的要求，调整列数m的值，由此确定相邻列间的距离，确定弹性单元弯曲板的初始弯曲形状，并得出其余参数值；最终得到具有良好面外承载能力且面内变形效果好的可变形蜂窝结构。
11.本发明与现有技术相比的有益效果在于：
12.本发明采用枣核形双层可变形蜂窝作为支撑结构，采用硅胶发泡方法进行柔性填充并在表面铺设硅胶面板，由此组成柔性蒙皮结构。该柔性蒙皮具有面外抗弯能力，面内可实现较大的伸缩变形，表面光顺，且可设计性强，便于加工。
13.本发明柔性蒙皮结构面内变形效果好，同时具备良好的面外承载能力。双层可变形蜂窝结构可设计性强，易加工。该柔性蒙皮结构采用硅胶发泡填充孔隙，保证了结构良好的气密性与蒙皮表面的光顺。
附图说明
14.图1为本发明枣核形双层可变形蜂窝结构示意图；
15.图2为本发明一种基于枣核形双层可变形蜂窝的柔性蒙皮中弹性单元示意图；
16.图3为本发明一种基于枣核形双层可变形蜂窝的柔性蒙皮中柔性蒙皮结构示意图；
17.其中，1-斜连枣核形单胞，2-上层可变形蜂窝，3-下层可变形蜂窝，4-直连枣核形单胞，5-中层可变形蜂窝，6-上层弯曲板，7-中层弯曲板，8-下层弯曲板，9-连接板，10-切缝，11-止裂孔，12-硅胶面板，13-硅胶发泡。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
19.如图1～3所示，本发明提出的柔性蒙皮结构由可变形支撑骨架、柔性填充和弹性表层组成。柔性填充采用硅胶发泡13的方式，弹性表层为硅胶面板12，可变形支撑骨架为枣核形双层可变形蜂窝。双层可变形蜂窝由枣核形单胞排列而成，而枣核形单胞由弹性单元组成，通过在可变形蜂窝的孔隙处填充发泡硅胶并在表面铺设硅胶面板构成柔性蒙皮结构。柔性蒙皮的面外刚度由可变形蜂窝壁板的立面提供，可变形蜂窝面内可以产生伸缩变形。
20.如图2所示，弹性单元上有处于不同层面的弯曲板，不同层面的弯曲板向不同方向(垂直于板面)弯曲，将相邻弹性单元上相同层面的弯曲板端部焊接在一起，形成枣核形单胞。根据相同层面上弯曲板的弯曲方向不同，可以组成不同形状的单胞结构，包括直连枣核形单胞和斜连枣核形单胞。单胞结构可以方便地复制和组合，形成双层或三层可变形蜂窝结构；直连枣核形单胞形成三层可变形蜂窝结构，斜连枣核形单胞形成双层可变形蜂窝结构。
21.双层可变形蜂窝结构示意图如图1所示。图1(a)为斜连枣核形单胞可变形蜂窝，其特点是：上层蜂窝是一个完整的平面；完整的大枣核(加粗部分)的右上弹性单元是旁边一个大枣核(右上相邻大枣核)的左下弹性单元，完整的大枣核的右下弹性单元是旁边另一个大枣核(右下相邻大枣核)的左上弹性单元。图1(b)为直连枣核形单胞的可变形蜂窝结构，直连的特点是：上层蜂窝结构与中层蜂窝结构存在间隔的高度差(一排高一排低的排列方式)。
22.图2为可变形蜂窝中的弹性单元。所述的弹性单元包括连接板9、与连接板9连接的弯曲板、弯曲板上的切缝10以及弯曲板的根部的止裂孔11。弹性单元长为a 2b,宽为h，厚度为t，其中a是连接板9的长度，b是上下两端弯曲板的长度；在宽度方向的h/2处形成长度b、宽度为d的切缝10，将弯曲板切开，构成两个层面的弯曲板，即上层弯曲板6，下层弯曲板8，图2(a)中左边的为下层弯曲板8，右边的为上层弯曲板6。或者在1/4h处和3/4h处形成两条长度b、宽度为d的切缝，将弯曲板切开，构成三个层面的弯曲板，即上层弯曲板6、中层弯曲板7、下层弯曲板8，图2(b)中左边的为下层弯曲板8，中间的为中层弯曲板7，右边的为上层弯曲板6；弯曲板与连接板交界处(即弯曲板的根部)设置止裂孔11，止裂孔的直径d为切缝宽度d的3倍以上。相邻弹性单元的弯曲板端部焊接构成单胞，按照弹性单元相同层面上弯曲板的弯曲方向不同，可以形成斜连枣核形单胞结构和直连枣核形单胞结构。弹性单元排成列后，其中的弯曲板可以产生弯曲变形，保证了蒙皮的面内变形能力。受面外载荷作用时，各弯曲板与连接板的立面提供面外刚度，使柔性蒙皮具有面外承载能力。
23.双层可变形蜂窝结构示意图如图1所示，长为l＝n(a 2b)，宽为w＝(m 1)c，n为弹性单元的行数，m为弹性单元的列数，c为相邻两列弹性单元的间距，c决定了弯曲板的初始弯曲形状，上层初始向一侧弯曲c/2，下层初始向另一侧弯曲c/2。选取矩形框框住的局部进行分析。这一部分双层可变形蜂窝的长为4(a 2b)，宽为4c，包括四排四列弹性单元。每间隔一列弹性单元弯曲板的弯曲方式相同，每间隔一排弹性单元弯曲板的弯曲方式也相同，因此只需给出两排两列弹性单元弯曲板的弯曲方式，其余的可以根据上述规律得出,选取图中加粗部分进行详细阐述。
24.图1(a)为斜连枣核形双层可变形蜂窝结构，加粗部分的第一排第一列弹性单元的上端下层和下端上层向左偏，上端上层和下端下层向右偏；第一排第二列弹性单元的上端上层和下端下层向左偏，上端下层和下端上层向右偏；第二排第一列弹性单元的上端上层和下端下层向左偏，上端下层和下端上层向右偏；第二排第二列弹性单元的上端下层和下端上层向左偏，上端上层和下端下层向右偏。这一部分的上层弯曲板构成实线表示的上层可变形蜂窝2，下层弯曲板与左边的弹性单元以及右边的弹性单元构成虚线表示的下层可变形蜂窝3，这样可以根据需要不断复制扩展。
25.图1(b)为直连枣核形单胞4形成的三层可变形蜂窝结构，加粗部分第一排第一列
弹性单元为上层和下层向左偏，中层向右偏；第一排第二列弹性单元为中层向左偏，上层和下层向右偏；第二排第一列弹性单元为中层向左偏，上层和下层向右偏；第二排第二列弹性单元为上层和下层向左偏，中层向右偏。这一部分的上层弯曲板构成实线表示的上层可变形蜂窝2，下层弯曲板构成短虚线表示的下层可变形蜂窝3，中层弯曲板7与左边的弹性单元以及与右边的弹性单元构成长虚线表示的中层可变形蜂窝5。每两排两列弹性单元组成一个枣核形单胞。将各相邻列相应位置处相同层面的弹性单元弯曲板端部焊接在一起，即可构成可变形蜂窝结构。不同层面蜂窝通过连接板连接在一起。
26.通过调整参数m、n、a、b、h和t，改变枣核形单胞的变形效果与承载能力。根据柔性蒙皮的面外承载要求，设m列弹性单元的总宽度为w，将m列弹性单元合为一根梁来计算承载能力。在所给位移限制下，通过材料力学公式，算出梁的宽度和高度。由于可变形蜂窝分层，面外抗弯刚度存在一个折算系数，双层可变形蜂窝的面外刚度为不分层情况下的1/4，三层可变形蜂窝的面外刚度为不分层情况下的5/32。再根据可变形蜂窝孔隙大小的要求，调整列数m的值，由此确定相邻列间的距离，确定弹性单元弯曲板的初始弯曲形状，并得出其余参数值。最终得到具有良好面外承载能力且面内变形效果好的可变形蜂窝结构。
27.采用硅胶发泡作为柔性填充，以硅胶发泡的形式在可变形蜂窝的孔隙处进行填充，再在表面覆盖硅胶面板，则发泡硅胶和硅胶面板连接成一体，得到表面光顺平滑的柔性蒙皮结构，还可以放宽蜂窝孔隙的尺寸限制。柔性蒙皮结构示意图如图3所示。
28.下面列举具体数据对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
29.在本实施例中，取柔性蒙皮的长l＝240mm，宽w＝200mm，高h＝11mm。要求柔性蒙皮的面内变形量达到20％，柔性蒙皮表面受到0.02mpa的均布载荷。可变形蜂窝的材料为7系铝合金，高h＝10mm，弹性模量e＝71.7gpa，泊松比μ＝0.33，密度ρ＝2.81g/cm3。
30.可变形蜂窝的立板提供面外抗弯刚度，为保证柔性蒙皮结构可承受面外载荷，要求在载荷作用下，可变形蜂窝沿高度方向的变形ω≤1.5mm。设m列弹性单元总宽度为w，将m列弹性单元合为一根梁来计算承载能力，梁的长度为240mm，梁截面的高度h为10mm，梁的宽度w也为10mm。将梁两端固支，在梁表面施加0.02mpa的均布载荷后，得最大变形量为0.592mm，满足变形量要求。因此可以取梁宽度w＝10mm。由于可变形蜂窝在高度方向从中间分了两层，高度变为两个h/2，根据抗弯刚度的公式，在梁宽度相同的情况下，抗弯刚度会降低为不分层情况下的1/4，因此m列弹性单元的总厚度应为40mm。根据孔隙要求，令m＝20，共布置20列弹性单元，则每个弹性单元的厚度t＝2mm。可变形蜂窝结构可以承受面外载荷。
31.每一列包含n个弹性单元，同一列的一整条弹性单元用一根长为n(a 2b)的弹性薄板制作，在板上相应的位置切缝，即可得到一整列弹性单元，再将各相邻列相应位置处相同层面的弹性单元弯曲板端部焊接在一起，即可构成可变形蜂窝结构。不同层面蜂窝通过连接板连接在一起。根据上述尺寸参数，相邻两列弹性单元的间距c为10mm。取弯曲板长度b＝8mm，连接板长度a＝8mm，切缝宽度d＝0.2mm，止裂孔直径d＝1mm，宽度h＝10mm，板厚度t＝2mm。
32.按照小变形假设，每个弯曲板的变形量为1.2mm，每个弹性单元的变形量为2.4mm，则可变形蜂窝的总体变形量为48mm，因此可变形蜂窝结构的最大变形量可以达到24％。在0.02mpa的面外均布载荷的作用下，经计算验证，可变形蜂窝可以抵抗0.02mpa的面外载荷。
33.在可变形蜂窝的孔隙处用发泡硅胶进行填充并在可变形蜂窝表面铺设硅胶面板，
制作出柔性蒙皮结构。蒙皮结构不能太厚，选取硅胶面板厚度tf＝1mm。硅胶面板的长度、宽度与柔性蒙皮相同。
34.根据可变形蜂窝孔隙大小的要求，调整参数m、n、a、b、h和t，得到具有不同变形和承载效果的柔性蒙皮，满足各种不同的设计需求。这样，设计出的柔性蒙皮表面光顺平滑，具有较好的面内单方向伸缩变形效果，同时面外抗弯能力良好。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。