复合式自适应机翼蒙皮变形机理及应用基础研究

Adaptive wing technologies need to be urgently developed in the future aircraft which can break though the limit of fight states on the best aerodynamic efficiency. One challenge of the technologies is designing the skin capable of producing smooth and continuous deformation according to current flight state. To satisfy the need of deformation and bearing capacity for different morphing wing mode, this project will develop a novel composite skin which contains the upper flexible panel and supporting thin-walled cellular structures. Targeting structural weight, deformation and bearing capacity by parametric modeling technique, topology optimization of composite skin is conducted to get optimal parameters based on variation demands of wing camber and plane shape. After mechanical modeling of the optimized composite skin, the representative volume element method is adopted to study deformation mechanism of the skin by theoretical and simulation analysis, and experimental study is also conducted to study its mechanical properties. Further more, structural design of adaptive wing based on the composite skin will be taken, and theoretical, simulation and experimental studies will be carried out to estimate deformation and bearing capacities of the wing under both driving and aerodynamic loads. The developed composite skin has many advantages: a light weight, better capabilities of both in-plane deformation and out-plane bearing, a good compatibility with the conventional wing structures, etc. Study results of this project will provide some technical foundations for application of adaptive wing to morphing aircraft.

自适应机翼技术可以突破飞行状态对最佳气动效率的限制，是未来飞机迫切需要发展的先进技术。研究跟随飞行状态连续变形的蒙皮设计是自适应机翼技术的难点。本项目将研究一种薄壁单元多孔结构支撑柔性面板的新颖复合式蒙皮，以满足不同机翼变体方案对变形和承载能力的需求。针对机翼变弯度/变平面形状方案，采用参数化建模技术对复合式蒙皮进行拓扑优化，综合结构重量、变形和承载能力，获得最优参数组合。建立优化后复合式蒙皮的力学模型，采用代表体元法对蒙皮结构的变形机理进行理论和仿真分析，并对其力学性能进行实验研究。本项目还将开展基于复合式蒙皮的自适应机翼结构设计分析，通过理论、仿真和试验方法验证机翼在驱动载荷和气动载荷作用下复合式蒙皮的变形和承载能力。本项研究所要开发的复合式蒙皮具有结构重量轻、兼顾面内变形和面外承载能力、与传统机翼结构相兼容等特点。研究成果将为自适应机翼技术在变体飞机设计中的应用提供一定的技术基础。

自适应机翼可以带来高效的气动性能改善，是未来飞机迫切需要发展的先进技术。实现自适应机翼的关键技术之一为柔性蒙皮技术。本项目开展了薄壁单元多孔结构支撑柔性面板的新颖复合式蒙皮研究，采用参数化建模技术对复合式蒙皮进行拓扑优化，通过优化得到了满足给定性能要求的蜂窝结构参数，开发了十字形蜂窝和零泊松比十字形混合可变形蜂窝，并支承弹性胶膜构成柔性蒙皮结构。还提出了基于可变形骨架和硅胶发泡的柔性蒙皮、记忆合金纤维增强的复合柔性蒙皮、金属弹簧纤维增强的复合柔性蒙皮。这些柔性蒙皮结构均具备良好的面内变形与面外承载能力。建立了各复合式蒙皮的力学模型，采用代表体元法分析了蒙皮结构的面内变形机理以及力学性能随单元形状参数的变化规律，推导了主要等效模量的理论表达式，并进行了有限元仿真。对十字形蜂窝进行了实验研究，验证了理论方法的正确性，展示了十字形蜂窝优秀的变形效果。本项目还进行了机翼的驱动元件设计与驱动特性研究。研制了柔性伸缩充压管驱动器、钢索驱动系统和基于充压式人工肌肉的柔性驱动器，对驱动能力进行了理论分析和有限元仿真。在此基础上，将开发的新型复合式蒙皮及驱动装置与常规机翼结构相结合，开展了基于复合式蒙皮的自适应机翼结构设计分析，提出了一种基于可变形蜂窝的柔性后缘机翼结构，通过理论、仿真和试验方法验证机翼在驱动载荷和气动载荷作用下复合式蒙皮的变形和承载能力。本项目还进一步将所研究的复合式柔性蒙皮应用于自适应鼓包进气道，进行了基于SMA纤维增强复合柔性蒙皮的自适应鼓包进气道、基于金属弹簧纤维增强的柔性蒙皮的自适应鼓包进气道、基于复合柔性蒙皮的自适应鼓包进气道和双稳态可变形鼓包进气道方案研究，解决了不可调鼓包进气道的进发匹配问题。本项研究所开发的复合式蒙皮具有结构重量轻、兼顾面内变形和面外承载能力、与传统机翼结构相兼容等特点。研究成果为自适应机翼技术在变体飞机设计中的工程应用提供了技术基础。