一种基于胞元结构的柔性变弯度机翼的制作方法

1.本发明涉及一种基于胞元结构的柔性变弯度机翼，以胞元结构作为主要组成，属于飞行器结构技术领域。


背景技术：

2.飞机变弯度机翼通过机翼前后缘变弯度机构和/或柔性结构变形驱动，根据飞行状态实时连续光滑地调节机翼弯度，从而获得最优的气动效益，进而实现飞行减阻、飞机减重、降低燃油效率等目的。智能材料和结构的出现与快速发展为变弯度机翼的实现提供了良好的材料与结构基础。当前飞机的后缘襟翼主要采用机构驱动等非柔顺变形的方式来实现，导致变形连接处存在缝隙，从而产生显著的噪声。另外，非柔顺变形方式使得机翼变形轮廓不光顺，严重影响了气动效率的提升和优化。本发明针对传统变弯度机翼后缘非柔性连续变形的问题，设计了一种基于胞元结构的柔性变弯度机翼，本设计方案的优点是通过胞元结构积木式拼接，可实现机翼后缘的柔顺光滑连续变形，具有轻量化、高刚度、高搭建速度、可重复利用的特性，是实现机翼自适应柔性变形的重要途径。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为解决现有变弯度机翼机构驱动式后缘的非柔性连续变形问题，致使变形连接处存在缝隙而产生显著噪声，以及变形轮廓不光顺影响气动效率提升的问题。提出一种基于胞元结构的变弯度机翼，可通过胞元结构积木式拼接，实现机翼后缘的柔顺光滑连续变形，具有轻量化、高刚度、高搭建速度、可重复利用的特性，在变弯度机翼柔顺变形结构设计领域具有重要应用价值。
4.本发明的思想是设计了以胞元结构为基础的变弯度机翼，主要包含基体胞元、柔性连接单元和传递胞元3种基础胞元结构，以及适配于基础胞元结构的机翼前缘和机翼后缘2种辅助结构。基础胞元结构通过规律性、连续性布置实现翼面柔性连贯形变，辅助结构主要用于维持翼面整体结构的完整性，并安装驱动器和传动装置。基于胞元结构的变弯度机翼后缘通过电机带动横穿过机翼的扭力杆带动各个传递胞元运动来实现后缘变形。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种基于胞元结构的变弯度机翼，主要包含两组基体胞元组件、传递胞元组件结构、柔性连接单元3种基础胞元，驱动机构，以及适配与基础胞元结构的机翼前缘和机翼后缘2种辅助结构；两组基体胞元组件分别对应安装在机翼前缘和机翼后缘的两侧，基体胞元组件为上下两层，每层由多个基体胞元结构连接组成，两层之间通过柔性连接单元连接，两组基体胞元组件与传递胞元通过柔性连接单元连接，驱动机构安装在机翼前端。
7.所述基体胞元结构整体采用六边形结构，主体主要分为接合平面和支撑结构。接合平面成修圆六边形，六条边上设有卡槽；支撑结构采用六个圆柱带侧板结构。
8.所述基体胞元六边形对角长度占机翼弦长的5～10％。
9.所述传递胞元采用改进的基体胞元结构，两侧采用六边形基体胞元结构，对中间
宽度进行拉伸，支撑结构与接合平面连接部分为“h”形，中间拉伸长度是六边形对角长度的1～1.5倍。
10.所述基体胞元和传递胞元的厚度根据翼型调整，通过调整支撑结构上缘的外形以契合各种不同机翼外形，其外部可通过支撑柔性翼膜材料实现变形。
11.所述柔性连接单元整体呈现“n”型，通过在两侧上下分别布置的卡槽与基体胞元和传递胞元接合平面上六边形上的卡槽相结合；柔性连接单元在连接时成对使用，并呈反对称安装；一对柔性连接单元连接四个接合平面。
12.所述驱动机构包括电机和扭力杆，电机安装在机翼前端，扭力杆安装在电机上，由电机带动横穿过机翼的扭力杆，由扭力杆带动各个传递胞元形成位移实现后缘变弯。
13.所述扭力杆采用金属材料或复合材料；扭力杆曲线形状由变弯度机翼目标偏转外形决定，扭力杆偏转位置为变弯度机翼目标偏转外形的中弦线。扭力杆长度应到达但不超过连接机翼后缘的基体胞元。
14.所述基体胞元、传递胞元、前缘及后缘选用金属材料或复合材料。
15.所属柔性连接单元选用包含弹性基体的复合材料。
16.本发明有益效果
17.本发明具有以下特点：
18.1.采用基于胞元结构的形式实现机翼后缘连续变弯，使机翼变形更加柔顺，提升机翼的气动性能。
19.2.柔性连接单元设计为“n”型，因此可在平面方向上实现一定程度的压缩或者拉伸。在连接时成对使用并呈反对称安装，可以实现载荷与形变的均匀传递。所有柔性连接单元均保持同一方向安装，以保证整体结构的载荷形变传递及结构的可拓展性。
20.3.变弯度机翼可通过胞元结构积木式拼接，实现快速搭建，并且胞元可重复利用，当其中某个胞元破坏后，可快速拆卸并更换，实现变弯度机翼的快速维修；
21.4.基于胞元结构的变弯度机翼改变了原有机械式驱动变形机构，使机翼结构质量更轻，并且通过胞元的拼接使机翼具有一定刚度，可承受载荷。
22.5.采用电机带动扭力杆转动，由扭力杆带动传递胞元形成位移实现机翼变弯度，此种方式电机和扭力杆承载能力强且后缘偏转角度变化过渡更加柔顺且连续。
附图说明
23.图1是本发明变弯度机翼结构示意图；
24.图2是本发明基体胞元结构立体图及主视图；
25.图3是本发明传递胞元结构立体图及主视图；
26.图4是本发明柔性连接单元结构示意图；
27.图5是本发明柔性连接单元与基体胞元和传递胞元连接三视图；
28.图6是本发明变弯度机翼侧视图和俯视图；
29.图7是本发明扭力杆驱动方案示意图；
30.图8是本发明扭力杆外形及长度示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图和实例对本发明做一下详细描述。
32.如图1所示，本发明是一种基于胞元结构的变弯度机翼，实施方式包括：通过间隔方式布置三种基础胞元结构，再安装适配的机翼前缘和后缘，进而组成可实现连续变形的变弯度机翼翼段。
33.主要包含两组基体胞元组件、传递胞元组件结构、柔性连接单元3种基础胞元以及适配于基础胞元结构的机翼前缘和机翼后缘2种辅助结构；驱动机构，两组基体胞元组件分别对应安装在机翼前缘和机翼后缘的两侧，基体胞元组件为上下两层，每层由多个基体胞元连接组成，两层之间通过柔性连接单元连接，两组基体胞元组件与传递胞元通过柔性连接单元连接，驱动机构安装在机翼前端。
34.基体胞元、传递胞元、前缘和后缘选用金属材料或复合材料。柔性连接单元选用包含弹性基体的复合材料。
35.如图2为所述基体胞元结构形式。基体胞元整体采用六边形结构，其主体主要分为接合平面和支撑结构。接合平面整体呈修圆六边形，并通过六个方向上对应的卡槽通过柔性连接单元与其他胞元结构相连。支撑结构采用六个圆柱带侧板结构，基于接合平面构建并决定了接合平面的内圈外形。基体胞元六边形对角长度占机翼弦长的5～10％。通过调整支撑结构上缘的外形以契合各种不同机翼外形，其外部可通过支撑柔性蒙皮材料实现变形。
36.如图3所示为所述传递胞元，传递胞元为改进的六边形基体胞元，保留了原本两侧的六边形基体胞元结构，并对中间宽度进行了拉伸。支撑结构与连接平面的结合处为承载和传递效果更好的“h”型梁。中间拉伸长度是六边形对角长度的1～1.5倍。
37.如图4所示为所述柔性连接单元。柔性连接单元整体呈现“n”型，可在平面方向上实现一定程度的压缩或者拉伸。再通过在两侧上下分别布置的卡槽与六边形基体胞元相接合。如图5所示为柔性连接单元与基体胞元和传递胞元连接示意图，柔性连接单元在连接时成对使用，一对柔性连接单元连接四个接合平面，并呈反对称安装，以实现载荷与形变的均匀传递。同时为保证整体结构的载荷形变传递及结构的可拓展性，所有柔性连接单元均保持同一方向安装规律。
38.图6是所示为本发明变弯度机翼侧视图和俯视图。由所述侧视图可看出，三种基础胞元结构通过按照间隔分布方式布置，为适应翼面在常规状态下的外形需要设定翼段翼型，因而需要对各个基体胞元和传递胞元的支撑结构上缘部分进行裁剪以适应选定的翼型结构，并且对各个部位的胞元进行合理编号。再安装适配的机翼前缘和机翼后缘结构，进而可组成可实现弦向柔性连贯变形的变弯度机翼翼段。
39.图7是本发明扭力杆驱动方案示意图。为便于查看，将中间的一个传递胞元隐去。基于胞元结构的变弯度机翼产生弯度变化需要驱动器带动传递胞元产生运动以实现机翼外形的变化。本方案采用扭力杆贯穿传递胞元，在翼段前部设置驱动机构，驱动机构包括电机和扭力杆，电机安装在机翼前端，扭力杆安装在电机上，由电机连接联轴器再带动横穿过机翼的扭力杆带动各个传递胞元运动来实现翼面形状的变形，其优势在于电机和扭力杆承载能力强且变化过渡更趋合理，变形更加柔性，并且更符合真实飞机的翼面变形形态。图8为本发明扭力杆外形及长度示意图。扭力杆采用金属材料或硬度较大的复合材料。扭力杆
曲线形状由变弯度机翼目标偏转外形决定，扭力杆偏转位置为变弯度机翼目标偏转外形的中弦线。扭力杆长度应到达但不超过连接后缘辅助后缘的基体胞元。
40.基体胞元、传递胞元和柔性连接单元的尺寸和数量需要根据变弯度翼段的弦长、展长和厚度以及翼型进行调整，同时驱动电机的尺寸也需要根据机翼翼段尺寸进行调整。当机翼翼段展长较大时，可设置多组驱动电机进行驱动。
41.以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种基于胞元结构的变弯度机翼，其特征在于，包括两组基体胞元组件、传递胞元组件结构、柔性连接单元3种基础胞元，驱动机构，以及适配与基础胞元结构的机翼前缘和机翼后缘2种辅助结构；两组基体胞元组件分别对应安装在机翼前缘和机翼后缘的两侧，基体胞元组件为上下两层，每层由多个基体胞元结构连接组成，两层之间通过柔性连接单元连接，两组基体胞元组件与传递胞元通过柔性连接单元连接，驱动机构安装在机翼前端。2.根据权利要求1所述的基于胞元结构的变弯度机翼，其特征在于，所述基体胞元结构整体采用六边形结构，主体主要分为接合平面和支撑结构。接合平面成修圆六边形，六条边上设有卡槽；支撑结构采用六个圆柱带侧板结构。3.根据权利要求1所述的基于胞元结构的变弯度机翼，其特征在于，所述基体胞元六边形对角长度占机翼弦长的5～10％。4.根据权利要求1所述的基于胞元结构的变弯度机翼，其特征在于，所述传递胞元采用改进的基体胞元结构，两侧采用六边形基体胞元结构，对中间宽度进行拉伸，支撑结构与接合平面连接部分为“h”形，中间拉伸长度是六边形对角长度的1～1.5倍。5.根据权利要求1所述的基于胞元结构的变弯度机翼，其特征在于，所述基体胞元和传递胞元的厚度根据翼型调整，通过调整支撑结构上缘的外形以契合各种不同机翼外形，其外部可通过支撑柔性翼膜材料实现变形。6.根据权利要求1所述的基于胞元结构的变弯度机翼，其特征在于，所述柔性连接单元整体呈现“n”型，通过在两侧上下分别布置的卡槽与基体胞元和传递胞元接合平面上六边形上的卡槽相结合；柔性连接单元在连接时成对使用，并呈反对称安装；一对柔性连接单元连接四个接合平面。7.根据权利要求1所述的基于胞元结构的变弯度机翼，其特征在于，所述变弯度机翼的后缘的驱动机构驱动采用在机翼前端安装包括电机和扭力杆，电机安装在机翼前端，扭力杆安装在电机上，由电机带动横穿过机翼的扭力杆，由扭力杆带动各个传递胞元形成位移实现后缘变弯。8.根据权利要求1所述的基于胞元结构的变弯度机翼，其特征在于，所述扭力杆采用金属材料或复合材料；扭力杆曲线形状由变弯度机翼目标偏转外形决定，扭力杆偏转位置为变弯度机翼目标偏转外形的中弦线。扭力杆长度应到达但不超过连接机翼后缘的基体胞元。9.根据权利要求1所述的基于胞元结构的变弯度机翼，其特征在于，所述基体胞元、传递胞元、前缘及后缘选用金属材料或复合材料。10.根据权利要求1所述的基于胞元结构的变弯度机翼，其特征在于，所属柔性连接单元选用包含弹性基体的复合材料。

技术总结
本发明涉及一种基于胞元结构的柔性变弯度机翼，以胞元结构作为主要组成，属于飞行器结构技术领域；包括：基体胞元、传递胞元、柔性连接单元3种基础胞元结构，驱动机构，以及适配于基础胞元结构的机翼前缘和机翼后缘2种辅助结构。基础胞元结构通过规律性、连续性布置实现翼面柔性连贯形变，辅助结构主要用于维持翼面整体结构的完整性并承载驱动器和传动装置。基于胞元结构的变弯度机翼后缘通过电机带动横穿过机翼的扭力杆带动各个传递胞元运动来实现后缘变形。本发明可通过胞元结构积木式拼接，实现机翼后缘的柔顺光滑连续变形，具有轻量化、可承载、高搭建速度、可重复利用的优点。可重复利用的优点。可重复利用的优点。


技术研发人员：张梦杰 周进 宋坤苓 薛景锋 王文娟
受保护的技术使用者：中国航空研究院
技术研发日：2022.12.09
技术公布日：2023/4/20