压电纤维复合材料变形机翼的非线性动力学研究

It is generally known that the "a generation of aircraft, a generation of materials" in the development process of the long world aviation history. The application of morphing wings are dependent on the researches of different intelligent materials, however, how to ensure the dynamic stability of intelligent material aerofoil in the morphing process is a forefront problem in the current international researches. This project will comprehensively use the multi-component composite materials laminated plate theory, the pneumatic elasticity theory and nonlinear dynamical theory to study the nonlinear dynamical characteristics of the macro fiber composite wing structure under the unsteady aerodynamic force. The wing is supposed to be deformed with bending and torsion along the spanwise under aerodynamics by using the piezoelectric driving force from the Macro Fibers. The effect of the morphing process of the wings on the different key parameters in the flying are discussed. The critical dynamic pressure of the wing structure will be analyzed under the different flow Maher numbers. The dynamical stability and nonlinear vibrations of the macro fiber composite material wings are studied in the variable sweep process. Experimental research are carried out later on the nonlinear dynamic characteristics of macro fiber composite laminated composite shell structures, and the results are compared with the theoretical analysis qualitatively. The research results will provide the theoretical basis for design of macro fiber composite flexible wings and promote the application of new intelligent materials in aerospace applications. It is also expanded the development of nonlinear dynamics theory and the application in the practical engineering.

世界百年航空发展进程中，素有“一代飞机，一代材料”之说。变形机翼的发展便依赖于先进复合材料的研发和应用,如何保证先进复合材料机翼结构变形过程中飞机的动态稳定性是当今国际研究的前沿问题。本项目综合利用复合材料层合板壳理论，气动弹性理论，非线性动力学理论研究在非定常气动力作用下压电纤维复合材料机翼结构在展向弯曲变形中的非线性动力学特性，建立非定常气动力作用下压电纤维复合材料变形机翼结构的非线性动力学模型，分析变形过程对结构关键参数的影响，分析不同来流马赫数下变形机翼的临界动压，研究压电纤维复合材料机翼在展向弯曲过程中的颤振问题及非线性振动的诱发机理，开展压电纤维复合材料层合壳结构的非线性动态特性实验研究，并与理论分析结果进行对比。期望研究成果能对压电纤维复合材料机翼的设计提供理论依据，促进新型材料在航空航天中的应用，扩展非线性动力学理论的发展及在实际工程中的应用。

智能变形机翼的发展便依赖于智能材料的研发和应用,如何保证智能材料机翼结构变形过程中飞机的动态稳定性是当今国际研究的前沿问题。本项目综合利用复合材料层合板壳理论，气动弹性理论，非线性动力学理论研究了不同气动力作用下压电纤维复合材料智能机翼结构在展向弯曲变形中的非线性动力学特性，建立气动力作用下压电纤维复合材料变形机翼结构的非线性动力学模型，分析变形过程对结构关键参数的影响，分析不同来流马赫数下变形机翼的临界动压，研究压电纤维复合材料智能机翼在展向弯曲过程中的颤振问题及非线性振动的诱发机理，设计了连续光滑变形的展向变弯度压电纤维复合材料智能机翼结构，并分析了不同激励作用下实验模型的动力学特性及变形过程中的动态稳定性并与理论分析结果进行了对比。同时扩展了研究内容，将展向可变形机翼结构扩展到展向可伸缩机翼结构和Z型折叠机翼结构，并对此两类结构进行了相应的理论分析，设计了不同形式的实验构件，开展了此两类变形机翼结构在变形过程中的动力学行为进行了研究。研究成果展示了不同的参数变化对此三类变形机翼结构动态特性的影响，以及多重耦合激励作用下此三类结构变形过程中的稳定性，发现连续展向变弯度为5度，并且在低攻角范围内，随着后缘偏转角度的增大，机翼的气动特性得到显著改善；机翼的最大升阻比对应的攻角随着后缘偏转角度增大而降低。相同的外激励作用下，展向伸缩机翼在伸缩过程中动态特性变化为由稳定到不稳定再恢复稳定。Z型折叠翼在0-150度的折叠过程中90度时动态稳定性最好，折叠角度越大动态稳定性越差。本研究成果能对不同智能机翼的设计提供理论依据，促进新型智能材料在航空航天中的应用，扩展非线性动力学理论的发展及在实际工程中的应用。