零泊松比十字形混合蜂窝设计分析及其在柔性蒙皮中的应用.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252015VoI．36NO．2680．690ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn零泊松比十字形混合蜂窝设计分析及其在柔性蒙皮中的应用程文杰1，周丽1’*，张平1，邱涛21．南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京2100162．沈阳飞机设计研究所，沈阳110035摘要：柔性机翼变弯度／展／弦长方案需要蒙皮在面内具有一维大变形能力，并且在垂直平面

2、方向能够提供足够的抗压和抗弯刚度。设计了一种零泊松比十字形混合蜂窝，支撑弹性胶膜构成柔性蒙皮结构。研究了十字形混合蜂窝的面内变形机理、蜂窝力学特性与单元形状参数的关系，针对蜂窝的面内单向变形能力进行了参数优化；将蜂窝结构等效为正交各向异性材料，研究了十字形混合蜂窝的面外抗弯能力及其影响因素；根据后缘变弯度机翼柔性蒙皮设计要求，研究了十字形混合蜂窝结构参数的适用性。结果表明这种蜂窝能够满足柔性蒙皮的使用要求，且质量轻、易驱动。关键词：柔性蒙皮；蜂窝结构；零泊松比；面外抗弯刚度；等效弹性模量中图分类号：V250．3；V214．6文献标

3、识码：A文章编号：1000一6893(2015)02一0680一11随着变体飞机技术研究的深入开展，国内外发展了多种针对飞机不同部位的柔性变形方案，其中机翼变体可以带来高效的气动性能改善，因而成为主要的研究热点。而开发一种满足变形和承载要求的柔性蒙皮则是变形机翼所面临的主要挑战之一[】{]。柔性蒙皮作为变形机翼的表面部件，需要提供足够的协同变形能力，保持气动外形的光滑，并且承受法向的气动载荷[6。7]。对于变弯度、变展长等一维变形方案，还要求蒙皮在变形中尽量不产生泊松比效应。另外，蒙皮的质量、变形所需驱动力以及加工方法等，也是工程

4、应用中必须考虑的问题L8J。蜂窝结构具有质量轻、面外抗压刚度大等优点，广泛应用在航空结构中。0lympio和Gan—dhi[9]研究了一种采用蜂窝结构支撑硅胶面板的柔性蒙皮方案，对六边形蜂窝的尺寸和形状进行优化，使其变形能力满足柔性蒙皮的使用要求，但六边形蜂窝在变形时局部应变很大，不利于材料的选择，变形对驱动能量也有较高的要求。中国科学技术大学的彭海峰[10]对六边形蜂窝形状进行改性，研究了一种蛇形环单元蜂窝，提高了蜂窝的单轴变形能力。张平等[11。123提出了一种新型十字形可变形蜂窝，降低了面内刚度，其变形能力明显优于六边形蜂窝

5、，但面内泊松比较大，不适合做单向变形的柔性蒙皮。Olympio和Liu等[13‘14]对零泊松比蜂窝进行了研究，提出了2种形式的蜂窝，具有较好的变形特性，同样其变形能力不足，不利于材料的选择。另外，目前提出的柔性蒙皮方案大多需要收稿日期：2014-03-25；退修日期：2014-04-10；录用日期：2014-05—01；网络出版时间：2014-05-1308：26网络出版地址：www．cn¨net／kcms／doi／107527／S1000．6893．2014．0090．html基金项目：国家自然科学基金(11172128，51

6、475228)；江苏高校优势学科建设工程资助项目*通讯作者．Tel．：025—84891722E．mail：Izhou@nuaa．edu．cn确搠榕武lchengwJ．ZhouL．ZhangP，eta

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12、eskln[旬．ActaAeronauticaetAs钾onauticasinica．2015．36(2)：680一690i程文杰．周丽．张平．等．零泊松比十字形混

13、合蜂窝设计分析及其在柔性蒙皮中的应用￡∞．航空学报．2015。36(2)：680-690．程文杰等：零泊松比十字形混合蜂窝设计分析及其在柔性蒙皮中的应用依靠密集的结构支撑或蜂窝的全高度填充，并不是蒙皮自身承受面外载荷。哈尔滨工业大学的赵显伟[15]研究了手性蜂窝结构的力学性能，尤其针对蜂窝的面外抗弯刚度特性进行了实验研究，但没有进行理论研究及分析如何提高抗弯刚度。Edward等[161提出了一种单向变形的组合式蒙皮结构，由柔性基体复合材料、蜂窝和碳棒组成，蜂窝结构中间的碳棒起到增加蒙皮抗弯刚度的作用，但碳棒和蜂窝的滑动可能会带来可

14、靠性的问题。本文对常用蜂窝的单元形状进行了分类研究，针对柔性蒙皮的变形和承载要求，提出一种自身具有面外抗弯能力的零泊松比十字形混合可变形蜂窝。研究了十字形蜂窝的面内变形机理，对蜂窝参数进行优化，提高了零泊松比柔性蒙皮的面内单向变形能力。采用等效正交