[发明专利]一种基于正、负泊松比蜂窝芯主动变形的柔性蒙皮及设计和驱动控制方法

说明书

本发明提出一种基于正、负泊松比蜂窝芯主动变形的柔性蒙皮及设计和驱动控制方法，首先通过智能材料形状记忆合金驱动正、负泊松比蜂窝结构变形；并且通过对正、负泊松比结构的单胞设计以及相互之间的约束使得两个结构的变形之间能发生相互作用，从而实现整个蜂窝夹芯的变形，达到前缘变厚度的目的，减少了机械结构的使用；而且本发明结合机翼前缘变厚度需求，给出的结构设计机理清楚，通过计算能够得到准确的驱动参数，继而能够精确控制机翼前缘变形。

技术领域

本发明属于柔性蒙皮结构技术领域，具体为一种基于正、负泊松比蜂窝芯主动变形的柔性蒙皮及设计和驱动控制方法。

背景技术

智能变体飞行器是指一类能够实时感知外部环境，并会根据飞行任务、状态和环境等因素实时、自主地改变本体外形布局，以实现在当前影响因素综合下的最优性能飞行的新概念飞行器。机翼作为航空器的传统主要部件，其在智能变体飞行器的研究中占重要的地位。

机翼变厚度是机翼变形的一种重要方式。传统变厚度机翼主要由刚体部分，柔性蒙皮和安装在机翼内部的驱动器构成，驱动器普遍采用的是液压或电机驱动器。于是机翼变厚度的方式为驱动机械结构对机翼表面的柔性蒙皮施加载荷，通过柔性蒙皮的被动变形来改变机翼的厚度。传统机翼变厚度的方法虽然有回复力大和便于控制的优点，但会使得机翼结构重量增加和机翼内部结构设计变得复杂。随着智能材料的发展，智能材料逐渐被选择作为驱动器代替传统的液压和电机驱动器，减少了变厚度机翼的重量，但这类实现机翼变厚度的方法仍要借助机械结构，机械结构带来的问题依然存在。

将智能材料引入柔性蒙皮的设计中，使得柔性蒙皮不借助机械结构实现主动变形，是解决机械结构所带来的问题的一种方案。在这之前，有学者将智能材料形状记忆合金加入波纹式蒙皮设计中，实现了蒙皮主动地单向伸长和缩短。在此基础上，有学者将人工纤维肌肉代替形状记忆合金驱动器实现了同样的功能。但在前缘变厚度机翼中，前缘由钝变尖的过程中具有沿弦向变形大，以及尖锐前缘点附近的局部变形精度难以控制等难点，基于波纹式主动变形蒙皮对于这些问题并不能很好地解决。

发明内容

针对现有技术存在的问题，尤其是针对机翼前缘变厚度中出现的问题，本发明提出一种基于正、负泊松比蜂窝芯主动变形的柔性蒙皮及设计和驱动控制方法。本发明通过智能材料形状记忆合金驱动正、负泊松比蜂窝结构变形；本发明通过对正、负泊松比结构的单胞设计以及相互之间的约束使得两个结构的变形之间能发生相互作用，从而实现整个蜂窝夹芯的变形，达到前缘变厚度的目的，减少了机械结构的使用；而且本发明结合机翼前缘变厚度需求，给出的结构设计机理清楚，通过计算能够得到准确的驱动参数，继而能够精确控制机翼前缘变形。

本发明的技术方案为：

一种基于正、负泊松比蜂窝夹芯主动变形的柔性蒙皮设计方法，包括以下步骤：

步骤1：将机翼初始翼型以及目标翼型各自的上翼型和下翼型均沿弦长等分为N段，计算每一段翼型的弯曲角度，要求每一段翼型的弯曲角度均不能大于设定值，如果超过设定值，则增加分段数；

步骤2：根据步骤1确定的分段数N，设计柔性蒙皮中蜂窝夹芯的蜂窝单胞结构参数：

所述蜂窝夹芯中的蜂窝单胞包括负泊松比蜂窝单胞和正泊松比蜂窝单胞；

首先确定负泊松比蜂窝单胞的结构参数：

根据步骤1确定的分段数N，以及已知的机翼弦长L，确定每一分段的弦长为L/N，则负泊松比蜂窝单胞x向的长度为L/N，并在0.5L/N＜h₁＜L/N范围内，设定负泊松比蜂窝单胞水平胞壁的长h₁，则得关系式

h₁-l₁ cosθ₁＝0.5L/N (1)

再设定负泊松比蜂窝单胞的y向等效泊松比为ν_yx1，得关系式：