智能變形飛行器結構實現機制與若干關鍵技術研究.pdf

1、智能變形飛行器通過在飛行過程中自主改變氣動外形來提高飛行效率，增強機動性，優(yōu)化不同飛行環(huán)境和任務條件下的適應性，被廣泛認為是實現未來航空技術新突破的革命性概念和技術。本文圍繞智能變形飛行器結構實現機制與關鍵技術，開展了飛行器智能變形結構設計基本理論與方法、形狀記憶合金(SMA)智能材料多物理場耦合特性與表征、基于SMA智能材料的新型高性能致動器設計原理與實驗、具有柔順變形能力的超彈性復合蒙皮結構原理與優(yōu)化設計方法等一系列研究工作。主要研

2、究內容和成果如下：
　　 1.嘗試提出“智能變形飛行器結構力學”基本研究框架，并建立具有時變邊界條件的智能伸縮翼懸臂梁結構動力學模型，通過無量綱化處理和Galerkin法給出了該時變非線性四階雙曲型方程的近似解。設計了基于SMA全向偏轉致動器和雙電機差動斜面全向偏轉機構的頭部智能變形結構，分別建立了系統動力學模型和非線性控制系統模型，進行了頭部智能變形結構的系統仿真和原理樣機實驗，并通過風洞實驗測試了頭部偏轉變形的氣動特性。提出

3、了采用單曲柄雙搖桿機構的可變后掠翼結構設計方案，并針對單曲柄雙搖桿機構兩側搖桿的同步性問題，建立了單曲柄雙搖桿機構的統一模型和同步性能優(yōu)化問題的數學模型，通過引入搖桿偏差小量假設和極限位置一致性假設，并結合大量系統的機構學實驗，給出了單曲柄雙搖桿機構同步性能優(yōu)化解的近似經驗公式和設計曲線圖。該工作為智能變形飛行器的結構設計分析提供了理論依據和相關技術參考。
　　 2.在深入研究SMA智能材料準靜態(tài)熱/力耦合特性的基礎上，探究了S

4、MA智能材料的約束態(tài)熱/力耦合特性、不完全相變熱/力耦合特性和中低應變率動態(tài)加載熱/力耦合特性。實驗發(fā)現SMA首次加載約束態(tài)與持續(xù)加載約束態(tài)存在較大特性差異，即馬氏體去孿晶化塑性變形和應力誘發(fā)馬氏體相變塑性變形對馬氏體逆相變起止溫度點的影響差別較大。實驗測得SMA不完全馬氏體逆相變過程存在“溫度記憶”效應，且重新開始相變的溫度與上次熱循環(huán)中斷的溫度之間總是約滯后3K。實驗測得SMA在中低應變率拉伸條件下存在應變率相關性，準靜態(tài)拉伸條件下

5、的應力屈服平臺消失，且發(fā)現塑性段應力-應變曲線斜率與應變率成明顯正相關函數關系。上述研究成果對于SMA智能材料在復雜熱/力耦合載荷條件下的特性建模和應用開發(fā)具有重要的理論意義和應用價值。同時，基于Tanaka系列本構模型和多體動力學理論，建立了SMA智能機電系統的一般動力學模型，通過給出相關設計實例說明了該系統動力學建模方法的便捷性；并給出SMA智能機電系統的復合控制方法，有效的提高了SMA致動單元的動作速率和穩(wěn)態(tài)精度。
　　

6、3.提出了結合SMA致動器和電機各自優(yōu)點的“SMA智能材料-電機混合致動器”概念，對其中的并聯模式和混聯模式進行了系統動力學建模與分析，并研制了SMA-電機混聯直線致動器原理樣機。針對其中較粗SMA絲致動器電阻小、電熱困難的問題，發(fā)明了纏繞漆包線同時通電加熱的新型復合電熱驅動技術，并建立了簡化的熱力學模型，通過與實驗對比表明，該理論模型的計算結果與實驗吻合較好，可為采用新型復合電熱驅動技術的SMA絲致動器控制模型的建立提供參考。

7、　　 4.針對智能變形飛行器對具有柔順大變形性能的蒙皮結構的迫切需求，將柔性機構思想引入多孔固體設計中，提出了“超彈性蜂窩芯復合蒙皮結構”原理及其優(yōu)化設計方法?；诰€彈性理論，給出了對稱六邊形超彈性蜂窩芯結構的等效模量公式，通過尺寸參數優(yōu)化和結構工藝優(yōu)化，設計了具有單軸柔順大變形特性的類蛇形環(huán)構型超彈性蜂窩芯結構和具有負泊松比特性的內凹六邊形構型超彈性蜂窩芯結構。給出了類蛇形環(huán)構型超彈性蜂窩芯結構和負泊松比超彈性蜂窩芯結構的等效模量公