一种变密度高速飞行器翼舵

摘要

本发明公开了一种变密度高速飞行器翼舵，通过在纵墙与横墙上设置与拓扑优化结果相关联的孔隙结构，以及在翼舵蒙皮上阵列设置中空的微结构，可以有效解决气动热载荷将热量大量传递给舵轴，使舵轴因高温强度降低过大造成失效，同时与传统翼舵结构相比在质量上可实现减重15％以上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变密度高速飞行器翼舵，尤其适用于高速飞行器翼舵结构。

背景技术

高速飞行器在服役时，飞行器外表面会承受高温、高压和高焓的恶劣载荷作用，尤其是翼舵等飞行器的外部活动部件，由于气动外型特殊，并且飞行过程需要调速整个飞行器的姿态，所处载荷环境更为恶劣，同时翼舵部件在结构设计时，需要满足结构轻质，高强、防隔热性能优异等要求；翼舵结构复杂，采用传统加工技术，生产周期长、成本高、加工难度大。因此高速飞行器翼舵结构设计加工在全世界罕有相关报道。

高强度钛合金导弹舵翼采用根据舵翼面零件的结构特点，内部结构采用超塑成形/扩散连接技术方案。根据舵翼面零件的结构特点，内部结构设计采用四层结构。四层结构直立框架的承载能力和结构效率较高，具有很好的刚性，可基本满足导弹舵翼面的要求，采用传统的机械加工工艺对零件进行加工。该结构设计使用材料仅限于薄壁板材，厚度减薄严重，零件内部筋条布局受工艺技术条件限制，厚度和间距受限；温度、压力等工艺参数若控制不好，会产生工艺缺陷。同时该结构在结构轻量化上和防隔热等性能上，不法达到高速飞行器的设计要求，制造工艺与先进的3D打印技术相比，制造周期长，生产成本高。

发明内容

本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种变密度高速飞行器翼舵，使翼舵具有轻质、高强、防隔热性能好、可采用3D打印的特点。

本发明的技术解决方案：一种变密度高速飞行器翼舵，包括翼舵骨架、翼舵蒙皮和舵轴，

翼舵骨架包括外部的前缘、后缘、前梢、翼舵底部及内部的横墙、纵墙及翼舵支座，其中横墙连接前缘与后缘，纵墙连接翼舵的前梢和翼舵底部，

前缘与翼舵底部交汇处设置有翼舵支座，翼舵支座内部设置有通孔，舵轴置于通孔中与翼舵骨架连接，

纵墙与翼舵底部成一定夹角，横墙间平行分布，靠近翼舵支座的纵墙与翼舵底部垂直，其余的纵墙间平行分布，平行分布的纵墙与横墙垂直；

在纵墙与横墙上通过拓扑优化，设置与拓扑优化结果相关联的孔隙结构；

翼舵蒙皮包括上下面板及阵列设置的中空微结构，翼舵蒙皮设置在翼舵骨架两侧，对内部的横墙、纵墙及翼舵支座进行包覆。

翼舵蒙皮的比强度不小于99MPa/(g/cm³)。

翼舵蒙皮的比模量不小于12GPa/(g/cm³)。

拓扑优化的具体方法为：建立有限元模型，将有限元模型设计空间的每个单元的与纵墙与横墙的材料参数相关的单元密度作为设计变量，通过优化确定需要保留及去除的位置，从而确定纵墙与横墙上的孔隙结构。

翼舵骨架的比强度不小于150MPa/(g/cm³)。

纵墙与翼舵底部夹角为20°～60°。

中空的微结构截面为上下两侧平行线以及连接两侧平行线的半圆线组成。

舵轴结构形式与翼舵骨架的构形式相同。

舵轴内设置有纵墙与横墙，并在纵墙与横墙上通过拓扑优化，设置孔隙结构。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过在在纵墙与横墙上设置与拓扑优化结果相关联的孔隙结构，以及在翼舵蒙皮上阵列设置中空的微结构，可以有效解决气动热载荷将热量大量传递给舵轴，使舵轴因高温强度降低过大造成失效，同时与传统翼舵结构相比在质量上可实现减重15％以上；

(2)本发明将纵墙与翼舵底部夹角设计成20°～60°，横墙间平行分布，靠近翼舵支座的纵墙与翼舵底部垂直，其余的纵墙间平行分布，平行分布的纵墙与横墙垂直，这种设计使得在金属3D打印过程中，随着金属粉末逐层堆积，激光熔融固结成形，金属粉末堆积并被激光熔融固结成形后，在重力作用下不会发生坍塌，以有效解决3D打印时结构件出现坍塌变形问题。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明横、纵墙结构示意图；

图3为本发明横、纵墙上孔隙结构示意图；

图4为本发明翼舵蒙皮整体剖面图；

图5为本发明翼舵蒙皮的中空微结构示意图；

图6为本发明舵轴结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

一种变密度高速飞行器翼舵，如图1、图2及图4所示，包括翼舵骨架、翼舵蒙皮8和舵轴9，

翼舵骨架包括外部的前缘4、后缘5、前梢6、翼舵底部7及内部的横墙2、纵墙1及翼舵支座3，其中横墙2连接前缘4与后缘5，纵墙1连接翼舵的前梢6和翼舵底部7，

前缘4与翼舵底部7交汇处设置有翼舵支座3，翼舵支座3内部设置有通孔，舵轴9置于通孔中与翼舵骨架连接，舵轴9结构形式与翼舵骨架的构形式相同，舵轴结构如图6所示。

纵墙1与翼舵底部7成一定夹角，可将夹角控制在20°～60°范围内，横墙2间平行分布，靠近翼舵支座3的纵墙1与翼舵底部7垂直，其余的纵墙1间平行分布，平行分布的纵墙1与横墙2垂直，这种设计使得在金属3D打印过程中，随着金属粉末逐层堆积，激光熔融固结成形，金属粉末堆积并被激光熔融固结成形后，在重力作用下不会发生坍塌，以有效解决3D打印时结构件出现坍塌变形问题；

在纵墙1与横墙2上通过拓扑优化，设置与拓扑优化结果相关联的孔隙结构，如图2所示，拓扑优化的具体方法为：建立有限元模型，将有限元模型设计空间的每个单元的与纵墙1与横墙2的材料参数相关的单元密度作为设计变量，在0～1之间连续取值，优化求解后单元密度为1表示该单元位置处的材料很重要，需要保留；单元密度为0表示该单元处的材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效率利用，实现轻量化设计，根据拓扑计算得到的结果，建立孔隙结构分布与拓扑相同分布。

通过对翼舵骨架结构设计，使得翼舵骨架的比强度不小于150MPa/(g/cm³)。翼舵蒙皮8包括上下面板及阵列设置的中空微结构，如图5所示，翼舵蒙皮8设置在翼舵骨架两侧，对内部的横墙2、纵墙1及翼舵支座3进行包覆，中空的微结构截面为上下两侧平行线以及连接两侧平行线的半圆线组成，与蒙皮的上下面板以及骨架整体3D打印，使得翼舵蒙皮8的比强度不小于99MPa/(g/cm³)，翼舵蒙皮(8)的比模量不小于12GPa/(g/cm³)。

在前缘4、后缘5、前梢6和翼舵底部7的两个侧面开设有突起的卡槽，翼舵蒙皮8放入卡槽内，翼舵骨架与翼舵蒙皮8通过3D打印一体成型。

本发明通过在在纵墙与横墙上设置与拓扑优化结果相关联的孔隙结构，以及在翼舵蒙皮上阵列设置中空的微结构，可以有效解决气动热载荷将热量大量传递给舵轴，使舵轴因高温强度降低过大造成失效，同时与传统翼舵结构相比在质量上可实现减重15％以上。

本发明未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。