智能变形飞行器结构实现机制与若干关键技术研究

摘要

智能变形飞行器通过在飞行过程中自主改变气动外形来提高飞行效率，增强机动性，优化不同飞行环境和任务条件下的适应性，被广泛认为是实现未来航空技术新突破的革命性概念和技术。本文围绕智能变形飞行器结构实现机制与关键技术，开展了飞行器智能变形结构设计基本理论与方法、形状记忆合金(SMA)智能材料多物理场耦合特性与表征、基于SMA智能材料的新型高性能致动器设计原理与实验、具有柔顺变形能力的超弹性复合蒙皮结构原理与优化设计方法等一系列研究工作。主要研究内容和成果如下：
　　 1.尝试提出“智能变形飞行器结构力学”基本研究框架，并建立具有时变边界条件的智能伸缩翼悬臂梁结构动力学模型，通过无量纲化处理和Galerkin法给出了该时变非线性四阶双曲型方程的近似解。设计了基于SMA全向偏转致动器和双电机差动斜面全向偏转机构的头部智能变形结构，分别建立了系统动力学模型和非线性控制系统模型，进行了头部智能变形结构的系统仿真和原理样机实验，并通过风洞实验测试了头部偏转变形的气动特性。提出了采用单曲柄双摇杆机构的可变后掠翼结构设计方案，并针对单曲柄双摇杆机构两侧摇杆的同步性问题，建立了单曲柄双摇杆机构的统一模型和同步性能优化问题的数学模型，通过引入摇杆偏差小量假设和极限位置一致性假设，并结合大量系统的机构学实验，给出了单曲柄双摇杆机构同步性能优化解的近似经验公式和设计曲线图。该工作为智能变形飞行器的结构设计分析提供了理论依据和相关技术参考。
　　 2.在深入研究SMA智能材料准静态热/力耦合特性的基础上，探究了SMA智能材料的约束态热/力耦合特性、不完全相变热/力耦合特性和中低应变率动态加载热/力耦合特性。实验发现SMA首次加载约束态与持续加载约束态存在较大特性差异，即马氏体去孪晶化塑性变形和应力诱发马氏体相变塑性变形对马氏体逆相变起止温度点的影响差别较大。实验测得SMA不完全马氏体逆相变过程存在“温度记忆”效应，且重新开始相变的温度与上次热循环中断的温度之间总是约滞后3K。实验测得SMA在中低应变率拉伸条件下存在应变率相关性，准静态拉伸条件下的应力屈服平台消失，且发现塑性段应力-应变曲线斜率与应变率成明显正相关函数关系。上述研究成果对于SMA智能材料在复杂热/力耦合载荷条件下的特性建模和应用开发具有重要的理论意义和应用价值。同时，基于Tanaka系列本构模型和多体动力学理论，建立了SMA智能机电系统的一般动力学模型，通过给出相关设计实例说明了该系统动力学建模方法的便捷性；并给出SMA智能机电系统的复合控制方法，有效的提高了SMA致动单元的动作速率和稳态精度。
　　 3.提出了结合SMA致动器和电机各自优点的“SMA智能材料-电机混合致动器”概念，对其中的并联模式和混联模式进行了系统动力学建模与分析，并研制了SMA-电机混联直线致动器原理样机。针对其中较粗SMA丝致动器电阻小、电热困难的问题，发明了缠绕漆包线同时通电加热的新型复合电热驱动技术，并建立了简化的热力学模型，通过与实验对比表明，该理论模型的计算结果与实验吻合较好，可为采用新型复合电热驱动技术的SMA丝致动器控制模型的建立提供参考。
　　 4.针对智能变形飞行器对具有柔顺大变形性能的蒙皮结构的迫切需求，将柔性机构思想引入多孔固体设计中，提出了“超弹性蜂窝芯复合蒙皮结构”原理及其优化设计方法。基于线弹性理论，给出了对称六边形超弹性蜂窝芯结构的等效模量公式，通过尺寸参数优化和结构工艺优化，设计了具有单轴柔顺大变形特性的类蛇形环构型超弹性蜂窝芯结构和具有负泊松比特性的内凹六边形构型超弹性蜂窝芯结构。给出了类蛇形环构型超弹性蜂窝芯结构和负泊松比超弹性蜂窝芯结构的等效模量公式和优化设计方法，并通过实验测试验证了理论的正确性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

§1.1研究背景及目的

§1.2智能变形飞行器概念由来与分类

1.2.1仿生学的启发

1.2.2飞行器技术发展的催生

1.2.3智能变形飞行器的概念内涵和外延

1.2.4智能变形飞行器的基本分类

§1.3智能变形飞行器的研究进展

1.3.1内流部件可变形飞行器的研究进展

1.3.2外流部件可变形飞行器的研究进展

§1.4飞行器可变形结构技术的研究现状

1.4.1飞行器可变形结构的发展阶段

1.4.2智能材料与智能材料结构

1.4.3智能变形结构的概念和分类

1.4.4基于智能复合材料结构的分布式变形结构

1.4.5基于新型复合机构的大尺度智能变体结构

1.4.6智能变形结构中的关键问题

§1.5本论文内容与组织结构

1.5.1论文内容

1.5.2论文组织结构

第2章飞行器智能变形结构设计基础

§2.1引言

§2.2飞行器智能变形结构原理与特性

2.2.1基本概念和分类

2.2.2气动收益与尺度效应

§2.3飞行器智能变形结构的力学建模与分析

2.3.1智能变形飞行器结构力学

2.3.2智能变形飞行器结构力学模型

2.3.3智能变形飞行器结构静力学分析

2.3.4智能变形飞行器结构动力学分析

§2.4头部智能变形结构设计研究

2.4.1双电机差动斜面全向偏转变形结构

2.4.2全向偏转变形结构的力学建模

2.4.3全向偏转变形结构的控制方法

2.4.4头部偏转变形气动性能风洞测试

§2.5机翼智能变形结构设计研究

2.5.1可变后掠翼结构技术

2.5.2单曲柄双摇杆可变后掠翼机构

2.5.3单曲柄双摇杆机构的统一模型

2.5.4同步性能优化问题求解

2.5.5优化设计算例

§2.6本章小结

第3章 SMA智能材料热/力耦合特性与力学建模

§3.1引言

§3.2 SMA准静态热/力耦合特性与本构模型

3.2.1 SMA准静态热/力耦合特性

3.2.2 Tanaka系列本构模型

3.2.3其它SMA本构模型

§3.3 SMA约束态相变热/力耦合特性

3.3.1实验方案

3.3.2实验结果

3.3.3结果分析与讨论

§3.4 SMA不完全相变热/力耦合特性

3.4.1实验方案和测试结果

3.4.2结果分析与讨论

§3.5 SMA应变率相关热/力耦合特性

3.5.1实验方案和测试结果

3.5.2结果分析与讨论

§3.6 SMA智能机电系统的动力学建模

3.6.1系统动力学模型的基本方程

3.6.2系统动力学模型的状态空间描述

3.6.3动力学建模实例

3.6.4 SMA智能机电系统动力学仿真技术

§3.7本章小结

第4章基于SMA的新型致动器设计原理与实验

§4.1引言

§4.2新型SMA直线致动器原理与实验

4.2.1新型SMA直线致动器结构原理

4.2.2并联模式SMA直线致动器系统建模与分析

4.2.3混联模式SMA直线致动器系统建模与分析

4.2.4原理样机研制与实验测试

§4.3 SMA全向偏转致动器原理与实验

4.3.1 SMA全向偏转致动器结构原理

4.3.2系统动力学建模

4.3.3非线性控制系统模型

4.3.4系统仿真分析

4.3.5样机研制与实验测试

§4.4 SMA丝新型电热控制方法

4.4.1新型电热控制方法原理

4.4.2热力学系统建模

4.4.3仿真与实验测试

§4.5本章小结

第5章超弹性蜂窝芯复合蒙皮结构原理与优化设计

§5.1引言

§5.2超弹性蜂窝芯复合蒙皮结构原理

5.2.1可变形蒙皮结构的变形实现机制

5.2.2超弹性蜂窝芯复合蒙皮结构

5.2.3超弹性蜂窝芯结构的变形机制与变形特性

§5.3超弹性蜂窝芯复合蒙皮结构优化设计

5.3.1单轴伸缩大变形超弹性蜂窝芯结构优化设计

5.3.2类蛇形环构型超弹性蜂窝芯结构建模分析

5.3.3负泊松比超弹性蜂窝芯结构优化设计

§5.4超弹性复合蒙皮结构制作与实验

5.4.1单轴伸缩大变形超弹性蜂窝芯结构

5.4.2负泊松比超弹性蜂窝芯结构

§5.5本章小结

第6章总结与展望

§6.1全文总结

§6.2研究展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢