CN119460077B - 一种基于双稳态复合材料的机翼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双稳态复合材料的机翼，包括：主体、翼尖和连接所述主体、翼尖的双稳态变形连接段；所述双稳态变形连接段包括双稳态复合材料板与驱动组件，所述双稳态变形连接段能够进行双稳态跳变以改变主体、翼尖之间的夹角；所述驱动组件为SMA弹簧，通过SMA弹簧驱动双稳态复合材料板的稳态跳变实现双稳态变形连接段整体的弯曲，进而实现改变翼尖的角度。与现有技术相比，本发明具有变形速度快、构型稳定、比刚度高、承载力强等优点。

Description

一种基于双稳态复合材料的机翼

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，尤其是涉及一种基于双稳态复合材料的机翼。

背景技术

变体小翼可以根据飞行工况进行变形从而在不同的飞行环境下均提供较优秀的气动效益，从而减少飞行所需的能耗成本。其中变体小翼的结构设计和驱动方案设计是目前研究的重点。

利用智能材料或新型柔性结构设计的变体小翼种类丰富。如利用压电陶瓷、形状记忆合金等作为驱动器，利用形状记忆聚合物、栅格或蜂窝结构、充气结构作为小翼的变形主体，这些结构的刚度较低，在受到气动载荷作用或其它扰动时容易出现变形回复、振动等不利于小翼性能的现象。

综上所述，如何在提供变形能力的同时，保证结构具有一定的承载能力，是目前智能变体小翼设计在实际应用方面急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的承载能力较弱等缺陷而提供一种基于双稳态复合材料的机翼，变形速度快、构型稳定、比刚度高、承载力强。

本发明提供一种基于双稳态复合材料的机翼，包括：主体、翼尖和连接所述主体、翼尖的双稳态变形连接段；

所述双稳态变形连接段包括双稳态复合材料板与驱动组件，所述双稳态变形连接段能够进行双稳态跳变以改变主体、翼尖之间的夹角；所述驱动组件为SMA弹簧，通过SMA弹簧驱动双稳态复合材料板的稳态跳变实现双稳态变形连接段整体的弯曲，进而实现改变翼尖的角度；

双稳态复合材料板的弯曲本质上即为双稳态复合材料的稳态跳变，即通过非对称的铺层方式制作的双稳态复合材料板会在层间产生残余应力，并在不同方向上表现出特定的变形趋势，通过施加特定方向的载荷可以使其主要在某一方向产生变形从而获得不同的稳定构型，其弯曲曲率与材料本身的力学性质和板的厚度等有关，可以根据所需要翼尖产生的弯曲角度大小进行自主设计。

进一步的，所述双稳态变形连接段还包括柔性蒙皮，所述柔性蒙皮设于所述双稳态变形连接段外侧，所述SMA弹簧设于所述柔性蒙皮和双稳态复合材料板之间。使柔性蒙皮呈现波纹状，以增强SMA弹簧的散热并提高自身的变形能力。

进一步的，所述双稳态变形连接段还包括蜂窝夹芯或波纹板；双稳态复合材料板与蜂窝夹芯或波纹板通过胶结连接。以不影响双稳态复合材料板的变形为准。

进一步的，所述主体内部设有用于收纳所述双稳态变形连接段的凹形空间和用于推出和收回所述双稳态变形连接段的导轨。安装在凹型空间的导轨是通过电机控制的可控进给量导轨，可以根据需要将双稳态变形连接段收进凹型空间内。收进后，SMA弹簧和柔性蒙皮将处于压缩状态。

进一步的，还包括加热电源，加热电源设于所述凹形空间中。

进一步的，所述SMA弹簧通过所述主体、翼尖上安装的拉簧拉钩进行安装；所述拉簧拉钩与SMA加热回路的导线连接。

进一步的，所述双稳态复合材料板包括用于变形的双稳态变形段和用于两侧安装的单稳态安装段。带有单稳态安装段的双稳态复合材料板是一种特殊的双稳态复合材料设置。在铺设时，通常以数层连续纤维层为基层，按照设计需要分为在两端的单稳态安装段和中部的双稳态变形段。双稳态复合材料板的纤维铺设方法可以采用自动铺丝技术。

进一步的，所述双稳态变形段为长纤维强化复合材料，铺层方式为反对称或非对称铺层；所述单稳态安装段为长纤维强化复合材料，铺层方式为单向或对称铺层。

进一步的，所述单稳态安装段分别与主体内部设有的导轨和翼尖进行刚性连接，所述双稳态变形段不与主体或翼尖直接连接。

进一步的，所述SMA弹簧为单程或双程形状记忆合金弹簧，所述SMA弹簧沿着所述双稳态变形连接段展向或斜向安装。具体可以参考主体的后掠角或以产生足够的弯矩为准。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

变形速度快、构型稳定、比刚度高、承载力强。通过非对称的铺层方式制作的双稳态复合材料板会在层间产生残余应力，并在不同方向上表现出特定的变形趋势，通过施加特定方向的载荷可以使其主要在某一方向产生变形从而获得不同的稳定构型。

附图说明

图1为基于双稳态复合材料的机翼的结构示意图；

图2为基于双稳态复合材料的机翼的收拢状态结构示意图；

图3为基于双稳态复合材料的机翼的翼尖倾斜状态结构示意图；

图4为基于双稳态复合材料的机翼的SMA弹簧的安装细节示意图；

图5为基于双稳态复合材料的机翼的双稳态复合材料板的铺层方案示意图。

附图标记：1-主体；2-翼尖；3-双稳态复合材料板；4-SMA弹簧；5-凹形空间；6-导轨；7-柔性蒙皮；8-蜂窝夹芯；9-加热电源；10-拉簧拉钩；11-双稳态变形段；12-单稳态安装段。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

实施例1

本实施例提供一种基于双稳态复合材料的机翼，如图1、2、3、4所示，包括：主体1、翼尖2和连接所述主体1、翼尖2的双稳态变形连接段；

所述双稳态变形连接段包括双稳态复合材料板3与驱动组件，所述双稳态变形连接段能够进行双稳态跳变以改变主体1、翼尖2之间的夹角；所述驱动组件为SMA弹簧4，通过SMA弹簧4驱动双稳态复合材料板3的稳态跳变实现双稳态变形连接段整体的弯曲，进而实现改变翼尖2的角度；

双稳态复合材料板3的弯曲本质上即为双稳态复合材料的稳态跳变，即通过非对称的铺层方式制作的双稳态复合材料板会在层间产生残余应力，并在不同方向上表现出特定的变形趋势，通过施加特定方向的载荷可以使其主要在某一方向产生变形从而获得不同的稳定构型，其弯曲曲率与材料本身的力学性质和板的厚度等有关，可以根据所需要翼尖2产生的弯曲角度大小进行自主设计。

在具体实施方式中，所述双稳态变形连接段还包括柔性蒙皮7，所述柔性蒙皮7设于所述双稳态变形连接段外侧，所述SMA弹簧4设于所述柔性蒙皮7和双稳态复合材料板3之间。使柔性蒙皮7呈现波纹状，以增强SMA弹簧4的散热并提高自身的变形能力。

在具体实施方式中，所述双稳态变形连接段还包括蜂窝夹芯8或波纹板；双稳态复合材料板3与蜂窝夹芯或波纹板8通过胶结连接。以不影响双稳态复合材料板3的变形为准。

在具体实施方式中，所述主体1内部设有用于收纳所述双稳态变形连接段的凹形空间5和用于推出和收回所述双稳态变形连接段的导轨6。如图2所示，安装在凹型空间5的导轨6是通过电机控制的可控进给量导轨，可以根据需要将双稳态变形连接段收进凹型空间5内。收进后，SMA弹簧4和柔性蒙皮7将处于压缩状态。

在具体实施方式中，还包括加热电源9，加热电源9设于所述凹形空间5中。

在具体实施方式中，所述SMA弹簧4通过所述主体1、翼尖2上安装的拉簧拉钩10进行安装；所述拉簧拉钩10与SMA加热回路的导线连接。

在具体实施方式中，所述双稳态复合材料板3包括用于变形的双稳态变形段11和用于两侧安装的单稳态安装段12。如图5所示，带有单稳态安装段12的双稳态复合材料板3是一种特殊的双稳态复合材料设置。在铺设时，通常以数层连续纤维层为基层，按照设计需要分为在两端的单稳态安装段12和中部的双稳态变形段11。双稳态复合材料板3的纤维铺设方法可以采用自动铺丝技术。

在具体实施方式中，所述双稳态变形段11为长纤维强化复合材料，铺层方式为反对称或非对称铺层；所述单稳态安装段12为长纤维强化复合材料，铺层方式为单向或对称铺层。

在具体实施方式中，当所述双稳态变形段11和单稳态安装段12未进行弯曲跳变时，层合板的横向截面的几何形状为圆弧或翼型弧线。

在具体实施方式中，所述单稳态安装段12分别与主体1内部设有的导轨6和翼尖2进行刚性连接，所述双稳态变形段11不与主体1或翼尖2直接连接。

在具体实施方式中，所述SMA弹簧4为单程或双程形状记忆合金弹簧，所述SMA弹簧4沿着所述双稳态变形连接段展向或斜向安装。具体可以参考主体的后掠角或以产生足够的弯矩为准。

如图1、2所示，双稳态复合材料板3的数量为复数，此时每个双稳态复合材料板3的尺寸是不相等的，可以根据弯曲后的翼尖2的角度和双稳态复合材料板3的曲率确定每个板各自的长度。而导轨6以及凹型空间5的尺寸以能包含最长的双稳态复合材料板3为准。

在该机翼中，对于主体1和翼尖2的连接，双稳态变形连接段的各部分的作用各不相同，先通过双稳态复合材料板3和蜂窝夹芯8与导轨6和翼尖2进行刚性连接确保整体结构的刚度和承载能力，避免翼尖2脱离，而SMA弹簧4安装在双稳态复合材料板3和蜂窝夹芯8外侧，便于驱动力的传递，最外侧包覆柔性蒙皮7，用于维持机翼的气动外形，因此柔性蒙皮7不要求完全柔性，以不影响双稳态复合材料板3的稳态变形为准。

如图3所示，导轨6将双稳态变形连接段推出后，之后SMA弹簧4产生拉力使复数个双稳态复合材料板3发生跳变弯曲，此时蜂窝夹芯8和柔性蒙皮7随着双稳态复合材料板3一同发生弯曲，尺寸较长的双稳态复合材料板3在发生弯曲时将剩余的包含在凹型空间5的部分通过导轨6全部推出。而导轨6通过电机自锁固定进给量以保持双稳态变形连接段处于推出的状态。

复数个双稳态复合材料板3发生弯曲可以是同时发生，也可以存在较短的间隙，以最终可以同时处于第二稳态构型为准。

其中SMA弹簧4的主要部分为SMA(Shape Memory Alloy，形状记忆合金)，其中SMA是一种具有形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称SME)和超(伪)弹性(Superelasticity/Pseudoelasticity，简称SE)的智能金属材料。SMA弹簧4加热使之超过相变温度时，其便会驱动该结构或产品产生相应变形。其中SMA弹簧4是一根形状记忆合金(SMA)弹簧，即加热激励时该SMA弹簧会回复到其记住的发生预应变前的状态，从而与结构发生相互作用，驱使结构发生变形。降温后在结构回复力的作用下其又可恢复到驱动前的状态。

如图4所示，SMA弹簧4通过安装在主体1和翼尖2的弹簧拉勾10连接在主体1和翼尖2之间，并通过加热电路进行加热，加热电源9安装在主体1内部，以不影响导轨6和双稳态复合材料板3的正常运动为准。在主体1内部挖槽并将弹簧拉勾10安装在凹槽内，以导轨未推出时不会过度压缩SMA弹簧4为准。SMA弹簧4的数量可以为一个或多个。具体以产生足够的弯矩为准。

使用更有效率的加热仪器如电磁感应加热管。

使用更有效率的冷却方法，如在主体1和翼尖2之间搭建空气循环系统，将SMA弹簧4安装在空气管道内，利用空气冷却。

本实施例中未详尽说明的构件均为可以在公开渠道购买的现有的构件。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于双稳态复合材料的机翼，其特征在于，包括：主体（1）、翼尖（2）和连接所述主体（1）、翼尖（2）的双稳态变形连接段；

所述双稳态变形连接段包括双稳态复合材料板（3）、柔性蒙皮（7）与驱动组件，所述双稳态变形连接段能够进行双稳态跳变以改变主体（1）、翼尖（2）之间的夹角；所述驱动组件为SMA弹簧（4），通过SMA弹簧（4）驱动双稳态复合材料板（3）的稳态跳变实现双稳态变形连接段整体的弯曲，进而实现改变翼尖（2）的角度；

所述柔性蒙皮（7）设于所述双稳态变形连接段外侧，所述SMA弹簧（4）设于所述柔性蒙皮（7）和双稳态复合材料板（3）之间；

所述主体（1）内部设有用于收纳所述双稳态变形连接段的凹形空间（5）和用于推出和收回所述双稳态变形连接段的导轨（6）；

所述双稳态复合材料板（3）包括用于变形的双稳态变形段（11）和用于两侧安装的单稳态安装段（12）；所述双稳态变形段（11）为长纤维强化复合材料，铺层方式为反对称或非对称铺层；所述单稳态安装段（12）为长纤维强化复合材料，铺层方式为单向或对称铺层。

2.根据权利要求1所述的一种基于双稳态复合材料的机翼，其特征在于，所述双稳态变形连接段还包括蜂窝夹芯（8）或波纹板；双稳态复合材料板（3）与蜂窝夹芯或波纹板（8）通过胶结连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于双稳态复合材料的机翼，其特征在于，还包括加热电源（9），加热电源（9）设于所述凹形空间（5）中。

4.根据权利要求1所述的一种基于双稳态复合材料的机翼，其特征在于，所述SMA弹簧（4）通过所述主体（1）、翼尖（2）上安装的拉簧拉钩（10）进行安装；所述拉簧拉钩（10）与SMA加热回路的导线连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于双稳态复合材料的机翼，其特征在于，所述单稳态安装段（12）分别与主体（1）内部设有的导轨（6）和翼尖（2）进行刚性连接，所述双稳态变形段（11）不与主体（1）或翼尖（2）直接连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于双稳态复合材料的机翼，其特征在于，所述SMA弹簧（4）为单程或双程形状记忆合金弹簧，所述SMA弹簧（4）沿着所述双稳态变形连接段展向或斜向安装。