双稳态层合板跳转过程分析与新型柔性蜂窝结构性能评价

摘要

可变体飞机是未来飞行器发展的方向，而发展既能够承载又能够实现较大程度变形的可变体结构和材料是其关键技术之一。可变体结构与材料需要具有更高的承载能力和更大的变形能力，而同时在变体过程中需要尽量小的构型保持力。多稳态结构具有多种不同的稳定构型，能够满足多种不同气动条件下的外形设计，同时在稳定构型状态下不需要额外的能量的输入，是可变体结构的极具潜力的候选方案之一。蜂窝材料利用壁面的弯曲变形能够实现比基体材料大10倍的弹性变形能力，与橡胶材料复合的柔性蜂窝结构是可变体结构蒙皮材料理想的候选方案之一。本文重点针对以上两种候选方案，开展了两方面的工作:一是针对双稳态复合材料层合板，提出了结构构型之间准静态和动态跳转过程更准确的分析方法;二是提出了一种具有更低驱动力和更大变形能力的新型柔性蜂窝结构，并对其进行了性能评价。具体研究内容如下:
　　(1)双稳态层合板准静态跳转过程的理论分析模型研究。准确预测稳态构型和跳转载荷是多稳态结构设计的关键。非对称复合材料层合板是目前双稳态结构的主要形式之一。本文针对文献中基于二次多项式位移函数建立的分析模型在预测双稳态复合材料层合板临界跳转载荷时存在较大误差的问题，提出了基于高阶多项式的位移描述函数来改进理论分析模型，并将计算结果与有限元分析结果进行对比分析。结果表明:新的理论分析模型能够显著提高稳定构型的预测精度和减少计算临界跳转载荷时的误差，验证了本文所提出的理论分析模型的准确性。
　　(2)双稳态层合板动态跳转过程的理论分析模型研究。在实际工程中大多稳态之间的跳转过程都是瞬时完成的，因此，研究稳态构型之间的动态跳转过程具有更重要的意义。本文建立了基于四阶多项式位移描述函数的动态跳转理论分析模型，对非对称铺层的层合板结构进行无阻尼和有阻尼分析，并将计算结果与有限元分析结果进行了对比。研究表明:在无阻尼条件下，本文提出的理论理论分析模型在不同载荷工况下，所获得的结构响应（振幅和频率），比文献结果（二次多项式）更接近有限元分析结果，并且与有限元分析结果的偏差较小。在有阻尼情况下，能够获得跳转过程中较为准确的载荷与位移曲线。以上结果表明，提出的解析模型具有较高的分析精度。
　　(3)八边形零泊松比柔性蜂窝结构的性能分析。复合式的柔性蜂窝结构是可变体结构蒙皮材料的候选方案。通过分析零泊松比六边形蜂窝结构变形机理，提出了一种零泊松比八边形蜂窝状的新结构，给出了其等效模量和最大变形率的解析表达式，通过与有限元结果的对比分析，证明了解析解的正确性。在此基础上，通过与六边形蜂窝对比分析表明:八变形蜂窝结构在变形方向具有更低的刚度，且具有更大的变形能力。此外利用参数分析方法，讨论了壁厚、壁长等结构参数对其性能的影响，为实际设计提供参考。