超弹性蒙皮结构的变形机制与优化设计研究

可变形蒙皮作为维持和适应飞行器外形变化、承受和传递气动载荷的首要部件，对于智能变形飞行器的实现具有举足轻重的作用。课题将柔性机构理念引入到飞行器中广泛采用的蜂窝夹层结构设计中去，提出基于柔性蜂窝结构的超弹性蒙皮结构概念，研究超弹性蒙皮结构的变形机制、设计理论和优化方法。采用数值模拟和模型试验的方法，分别研究基于正、零和负泊松比三类不同拓扑构型柔性蜂窝芯和铝合金、钢和超弹性形状记忆合金三种不同材料的超弹性蒙皮结构的变形特性，结合理论推导，建立超弹性蒙皮结构的力学模型，揭示其超弹性变形机制。研究柔性蜂窝芯的拓扑构型和尺寸参数对超弹性蒙皮结构综合性能影响的定量关系，从而建立相关优化设计数学模型。采用多目标非线性优化算法或遗传算法、蚁群算法等启发式算法进行超弹性蒙皮结构优化设计，并对其制造、工艺和可靠性等方面进行全面细致的评估，为智能变形飞行器结构的实现奠定物质基础。

可变形蒙皮作为维持和适应飞行器外形变化、承受和传递气动载荷的首要部件，对于智能变形飞行器的实现具有举足轻重的作用。课题将柔性机构理念引入到飞行器中广泛采用的蜂窝夹层结构设计中去，提出基于柔性蜂窝结构的超弹性蒙皮结构概念，研究超弹性蒙皮结构的变形机制、设计理论和优化方法。课题基于Gibson公式，进一步考虑蜂窝芯壁板拉伸压缩变形影响，以Euler梁理论为基础，分别推导出了正泊松比、负泊松比和零泊松比三种不同拓扑构型的蜂窝芯结构的非线性等效弹性模量公式以及负泊松比蜂窝芯结构的剪切弹性模量公式。课题在理论推导的基础上，运用遗传算法对负泊松比蜂窝芯结构参数开展了多目标优化设计研究，建立了优化设计模型，获得了一组优化设计数据。课题进一步应用有限元仿真和模型试验的方法，分别研究了基于正、零和负泊松比三类不同拓扑构型柔性蜂窝超弹性蒙皮结构的变形特性，建立了超弹性蒙皮结构的力学模型。仿真、实验和理论推导公式计算结果非常吻合，验证了理论推导结果的正确性。课题进一步针对已获得的优化设计数据开展了仿真和模型实验研究，揭示了柔性蜂窝芯的拓扑构型和尺寸参数对超弹性蒙皮结构综合性能影响的定量关系，验证了相关优化设计数学模型。以上研究结果为智能变形飞行器结构的实现奠定物质基础。