变体飞行器大强度柔性蒙皮结构一体化集成及形状控制研究

This project is a basic application research which includes designs ,integrated manufacturing and smart shape control of great-intensity flexible skin structures of morphing aircraft, pioneers the study on integrated technology of the way of welding NiTi shape memory alloy(SMA) and Aeronautical Al/Ti based alloy materials together and applies the technology to the field of shape control of great-intensity flexible skin structures. A hybrid simulation model of equivalent elastic modulus factor is able to be derived by exploring a nonlinear mechanical relationship of a great-intensity flexible laminated shell under the coupling of aerodynamic and thermal fields. The research breaks through the difficult connection between NiTi shape memory alloy and dissimilar alloy materials, and develops the study of laser welding characteristics of NiTi alloy and Al / Ti matrix composites. A laminated plate with embedded SMA welding actuator is designed, and a spatial curvilinear expansion ring actuator is designed for the hypersonic aircraft with the form of the wave-rider surface, which realizes the multiple active coupling shape control. And finally establish an experimental system of adaptive deformation and active control for multiple mode skin structures which based on light sectioning method on-line detection. This project is of great importance to improve the practicability, control precision and intelligentized level of morphing aircraft under hypersonic environment.

本项目是对变体飞行器大强度柔性蒙皮进行设计、集成制备和形状智能控制的基础应用研究，开创性对NiTi形状记忆合金与航空铝/钛基合金材料特种焊接方式进行一体化集成技术研究，并将此技术应用到大强度蒙皮形状控制领域。通过探讨气动热场耦合作用下的大强度柔性层合壳结构的非线性力学关系，得到具有等效弹性模量因子的混合程序仿真模型。突破NiTi形状记忆合金与异种合金材料不易连接的难题，开展NiTi合金与铝/钛基复合材料的激光焊接特性研究。设计具有内嵌式SMA焊接作动器的层合板，以及针对高超声速飞行器具有的乘波构型曲面外形设计空间曲线胀缩环式作动器，实现多种姿态耦合作用的形状主动控制。最终建立基于闭合光刀法在线检测的多模式蒙皮结构自适应变形及主动控制实验系统。本项目对提升高超声速环境下变体飞行器的实用性、控制精度和智能化水平具有极其重要的研究价值。

高速变体飞行器在不同飞行状态下具有不同的最优气动外形参数，通用的薄壁飞行器蒙皮多采用大强度铝合金材料，将具有极高驱动力的SMA与蒙皮材料进行一体化集成连接，进行相关作动器布局优化和多模式形状控制，使可变形柔性蒙皮更加简单轻量、可靠性更高。项目针对这一新技术的关键问题开展理论及实验研究。首先，建立多场耦合作用下大强度柔性层合壳结构非线性系统数学及仿真模型，从板状变形蒙皮结构的动/静力学模型出发，建立内嵌SMA作动器的系统仿真模型，对翼面结构非线性系统进行动力学建模，进行高速热力环境下翼面结构流固耦合仿真分析。与此同时，从材料制备角度进行SMA与异种铝合金材料的激光焊接技术研究，在分析试验材料、设备及焊接测试方法的基础上，对SMA与铝合金激光焊接的工艺优化及成形机理进行研究， 选取不同的过渡材料作为中间层，探讨并优化其工艺特性，分析激光焊接对SMA形状记忆效应的影响规律，取得了满足机械结构设计需求的焊接效果。利用以上两方面基础研究，先开展具有内嵌式 SMA 作动器的层合板多模式形状控制优化设计与实现，分析单片/多片作动器对悬臂板变形的影响规律，优化板状蒙皮结构作动器布局，以实现弯曲/扭转耦合多模式形状控制。然后开展基于空间曲线胀缩环式作动器的翼面结构形状主动控制方法研究，对轴向直线型和周向环形作动器进行设计与仿真，两种方案都可有效的抑制翼面结构因气动耦合效应产生的变形，且直线型作动器更优，在此基础上对作动器主要构型参数进行优化设计。最后，进行基于激光焊接一体化集成的大强度柔性蒙皮结构形状主动控制系统实验，提出基于圆锥阵列标定法的运动参数无关的线激光自由曲面测量手段，并着手实验准备及搭建测试平台，分别进行大强度板状蒙皮结构变形实验和翼面结构形状自适应控制实验，实验结果与理论及仿真结果误差较小且趋势一致。本项目研究对促进变体飞行器向着智能化、轻型化方向发展具有十分重要的意义。