新型零泊松比蜂窝结构力学性能及其变弯度机翼应用研究.pdf

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1、博士学位论文新型零泊松比蜂窝结构力学性能及其变弯度机翼应用研究MECHANICALPERFORMANCESOFANOVELHONEYCOMBDESIGNWITHZEROPOISSON’SRATIOANDITSAPPLICATIONINCAMBERMORPHINGWINGS黄建哈尔滨工业大学2018年3月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文新型零泊松比蜂窝结构力学性能及其变弯度机翼应用研究博士研究生：黄建导师：张秋华教授申请学位：工学博士学科：固体力学所在单位：航天学院答辩日期：2018年3

2、月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB332U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringMECHANICALPERFORMANCESOFANOVELHONEYCOMBDESIGNWITHZEROPOISSON’SRATIOANDITSAPPLICATIONINCAMBERMORPHINGWINGSCandidate：JianHuangSupervisor：Prof.QiuhuaZhangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEn

3、gineeringSpeciality：SolidMechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要传统飞行器在设计过程中只能针对某一个或几个设计点进行最优设计，而飞行过程中随着外界环境和飞行任务的变化，飞行器的飞行参数一直处于变化之中，也就意味着传统飞行器不能在飞行过程中始终保持气动性能的最优状态。变体飞行器可以随着飞行环境和飞行任务的改变来调整

4、自身的气动布局，从而实现在整个飞行过程中始终保持气动性能的最优状态。质轻、布局合理、结构紧凑的可变形机翼是实现变体飞行器技术的物质基础，在满足气动承载要求的条件下还需要满足一定的变形要求，气动承载要求约束机翼必须具有足够的刚度，而变形要求则需要机翼具备一定的柔度，从而导致可变形机翼不仅一直是变体飞行器研究的关键内容，而且是变体飞行器技术发展最重要的制约因素。蜂窝结构具备较高的面外刚度、较轻的质量以及优秀的力学性能可设计性，被众多研究者看作是机翼变形结构问题最有效的解决方案之一。随着变体飞行器技术的发展，研究者开发出了不同的机翼变形方式，其中变弯度

5、机翼是研究最多的一种变体形式，因为弯度是机翼产生升力的主要因素，改变机翼的弯度能够对机翼的气动特性产生较大的改变。飞行器起飞和降落过程中需要调整升力来保证飞行器的功能实现，传统飞行器通过改变副翼的偏转角度来实现，而对于变体飞行器来说，变弯度机翼是飞行器起飞和降落阶段最好的控制方式之一。本文针对蜂窝结构在变弯度机翼中的应用，设计了一种新型零泊松比蜂窝结构，由六边形或者内凹型六边形结构结合薄板镶嵌阵列而成，薄板位于蜂窝结构厚度方向的几何中心，这样六边形或者内凹型六边形与薄板两种组件分工协作，分别负责蜂窝结构不同的力学性能：六边形或者内凹型六边形结构负

6、责蜂窝结构的面内拉伸刚度、面外平压刚度以及横向剪切刚度；薄板则可以使蜂窝结构具备较大的面外弯曲柔度。传统的蜂窝结构实现面外弯曲柔度增大的方法只有两个：增大胞元几何尺寸或者降低胞壁厚度，这两种方法都会不可避免的导致蜂窝结构面内拉伸刚度、面外平压刚度以及横向剪切刚度的降低。而新型零泊松比蜂窝结构可以通过调整薄板的几何尺寸，达到增大面外弯曲柔度的目的，并且不会影响其面内拉伸刚度、面外平压刚度和横向剪切刚度。另外，蜂窝结构的泊松比特性可以分为三类：正、负、零，其中，正泊松比蜂窝结构在面外弯曲时表现出“马鞍效应”，即单方向向下弯曲时，其垂直方向会向上翘曲，

7、如传统六边形蜂窝结构；负泊松比蜂窝结构则会表现出双曲率现象，即单方向向下弯曲时，其垂直方向也会随之向下弯曲，如内凹型六边形蜂窝结构；第三种零泊松比蜂窝结构则不会出现上述两种现象，能够很平顺-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文地实现单向弯曲，而且不会对其垂直方向产生影响，相比较三种蜂窝结构来说，零泊松比蜂窝结构更具备应用于变弯度机翼的潜质。因而，本文所设计的蜂窝结构具备两个优势：一是解决了传统蜂窝结构在增大面外弯曲柔度时必然导致面内拉伸刚度、面外平压刚度和横向剪切刚度降低的缺陷；二是具有零泊松比特性。本文首先进行了新型零泊松比蜂窝结构的设计及其面内

8、力学性能研究，，建立了面内拉伸模量和面内剪切模量的理论模型和有限元模型，采用熔融沉积3D打印技术制备了蜂窝结构试验件，通过单轴拉伸、45