一种具有面外抗弯能力的面内单向伸缩变形柔性蒙皮的制作方法

本发明属于变体飞机结构设计领域，具体涉及一种柔性蒙皮结构设计，具体是指一种具有面外抗弯能力的面内单向伸缩变形柔性蒙皮。
背景技术：
：变体飞机可以在飞行过程中实时改变飞机结构的形状，以便在不同飞行状态下做不同飞行动作时都具有最佳的气动性能。柔性蒙皮技术是实现飞机变体的关键技术之一，其技术难点体现在以下几个方面：1)柔性蒙皮在面内要能经受住很大的变形，伸缩量有时需要达到20％左右；2)要有足够的面外刚度，承受气动载荷；3)蒙皮的表面要光顺。近来很长一段时间，柔性蒙皮设计技术受到广泛关注。常规蒙皮的面内变形能力与面外承载能力是相互矛盾的，而且变形能力很小；现有技术中公开的可变形蜂窝支承弹性胶膜的方案必须用全高度蜂窝，给驱动装置的布置带来麻烦。技术实现要素：针对上述现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于可变形骨架和硅胶发泡并在表面铺设弹性胶膜的柔性蒙皮设计技术，该柔性蒙皮具有面外抗弯能力，面内可实现单方向较大的伸缩变形，且表面光顺，并且无需使用全高度蜂窝。本发明是这样实现的：一种具有面外抗弯能力的面内单向伸缩变形柔性蒙皮，该柔性蒙皮结构包括可变形骨架、可变形骨架间隙间填充的发泡硅胶、可变形骨架表面铺设的弹性胶膜；所述的可变形骨架包括沿纵向且均匀排布的纵向筋条，在相邻两根纵向筋条之间布置的一列若干类蜂窝单元。柔性蒙皮的面外刚度由均匀分布的纵向筋条提供，纵向筋条之间布置类蜂窝结构产生单向伸缩变形，类蜂窝单元可以增大纵向抗弯刚度，同时提供横侧向抗剪能力。所述的类蜂窝单元包括三个可变形方格、两个不变形方格、两个不变形开口槽，其中的可变形方格可以产生横向的变形，保证了蒙皮的面内变形能力；所述的三个可变形方格分别为第一可变形方格以及第一可变形方格上侧两端分布的第二可变形方格；所述的两个不变形方格分别为第一不变形方格以及第二不变形方格；所述的两个不变形开口槽分别为第一不变形开口槽以及第二不变形开口槽；所述的第二不变形方格位于第一可变形方格顶部，且位于两个第二可变形方格之间；所述的第一不变形方格位于第一可变形方格的底部；所述的第一不变形开口槽以及第二不变形开口槽分别位于可变形方格两侧；类蜂窝单元排成列后，其中的可变形方格可以产生横向的变形，保证了蒙皮的面内变形能力。第一不变形方格、第二不变形方格、第一不变形开口槽、第二不变形开口槽中均设置有横向隔板，横向隔板用于增大横侧向抗剪能力。进一步，所述的横向隔板设置于第一不变形方格、第二不变形方格、第一不变形开口槽、第二不变形开口槽的1/2高度处，所述的横向隔板的厚度与类蜂窝单元壁厚相同；所述的横向隔板的边长与对应类蜂窝单元的孔隙壁长相同。进一步，所述的弹性胶膜覆盖在可变形骨架表面，以硅胶发泡的形式在可变形骨架的孔隙处进行填充，再在表面覆盖弹性胶膜，则发泡硅胶和弹性胶膜连接成一体，气密性得到保证，由此得到表面光顺平滑的柔性蒙皮结构。进一步，规定x轴方向为长，y轴方向为宽；所述的类蜂窝单元中的第二可变形方格的长为a，宽为b；第一可变形方格长为2a+c，宽为b；顶部的第二不变形方格长为c，宽为2b；底部第一不变形方格长为c，宽为b；左右两侧的第一不变形开口槽以及第二不变形开口槽等长等宽，长为c/2，宽为2b。进一步，所述的类蜂窝单元的等效长度为2(a+c)，等效宽度为4b；设定类蜂窝单元的壁厚t所述的类蜂窝单元的壁厚t值设定为0.01～0.1毫米量级。进一步，发泡硅胶和表面覆盖的弹性胶膜连接成一体。进一步，可变形骨架选取铝合金型材，通过3d打印技术进行制作。本发明与现有技术的有益效果在于：1)本发明提出的柔性蒙皮结构由可变形骨架、硅胶发泡与弹性胶膜组成。可变形骨架包括纵向筋条和相邻纵向筋条之间的类蜂窝结构。通过在可变形骨架的孔隙处填充发泡硅胶并在表面铺设弹性胶膜构成柔性蒙皮结构。其中可变形骨架中的纵向筋条提供面外抗弯刚度，使柔性蒙皮结构自身具备抵抗面外载荷的能力；可变形骨架中的类蜂窝结构能够产生大的变形，并且提供横侧向抗剪能力，使柔性蒙皮结构具有良好的面内变形效果，同时具备面外抗剪刚度；该柔性蒙皮结构采用硅胶发泡填充孔隙，再在表面覆盖弹性胶膜，保证了结构良好的气密性与蒙皮表面的光顺。2)具体的，本发明针对柔性蒙皮结构设计面临的面内变形和面外承载间的矛盾，以及对蒙皮表面光顺的要求，本发明通过柔性蒙皮的面外刚度由纵向筋条提供，纵向筋条沿纵向且均匀排布，提供纵向面外抗弯刚度，使得本发明的柔性蒙皮结构具备足够的面外刚度，承受气动载荷；其次，在相邻两根纵向筋条之间布置类蜂窝单元，类蜂窝单元可以增大纵向抗弯刚度，同时提供横侧向抗剪能力；此外，通过其中的可变形方格可以产生横向的变形，保证了蒙皮的面内变形能力，保证柔性蒙皮在面内要能经受住很大的变形能力；本发明在类蜂窝单元的不变形方格与不变形开口槽的中间布置横向隔板，用于增大横侧向抗剪能力；3)本发明可以通过调整可变形骨架的高度，纵向筋条的厚度、相邻纵向筋条的间距，以及类蜂窝单元的壁长,壁厚等参数，改变可变形骨架的变形效果与承载能力，最终得到具有良好面外承载能力且面内变形效果好的可变形骨架；本发明还针对气密性问题与柔性蒙皮表面光顺的要求，采用硅胶发泡形式，填充可变形骨架中的孔隙，再在表面覆盖弹性胶膜，形成表面光顺平滑同时具有较好的面内变形能力和较大的面外抗弯抗剪刚度的柔性蒙皮；4)本发明的柔性蒙皮结构面内变形效果好，同时具有较大的面外抗弯抗剪刚度，自身具备良好的面外承载能力；该柔性蒙皮结构采用硅胶发泡填充孔隙，保证了结构良好的气密性与蒙皮表面的光顺；综上，本发明提出了一种自身具备面外抗弯能力且面内单方向伸缩变形良好的柔性蒙皮，通过一种基于可变形骨架和硅胶发泡并在表面铺设弹性胶膜的方案来解决柔性蒙皮面内变形和面外承载以及表面光顺的问题。附图说明图1为本发明可变形骨架结构示意图；图2为本发明类蜂窝单元结构示意图；图3为本发明柔性蒙皮结构示意图；图4为本发明类蜂窝代表元示意图；图5为本发明类蜂窝代表元变形效果图；其中，1-纵向筋条，2-类蜂窝单元，3-第一可变形方格，4-第二可变形方格，5-第一不变形方格，6-第二不变形方格，7-第一不变形开口槽，8-第二不变形开口槽，9-横向隔板，10-可变形骨架，11-弹性胶膜，12-发泡硅胶。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图1所示，可变形骨架10包括纵向筋条1与类蜂窝单元2。其中纵向筋条1沿纵向且均匀排布，在每相邻两根纵向筋条间有一列类蜂窝单元2。纵向筋条1的数量与高度h、厚度ts的尺寸根据柔性蒙皮的设计需求进行调整。可变形骨架10高度即为纵向筋条1的高度h。可变形骨架10选取铝合金型材，通过3d打印技术进行制作。如图3所示，本发明的柔性蒙皮结构包括可变形骨架10、可变形骨架间隙间填充的发泡硅胶12、可变形骨架表面铺设的弹性胶膜11。如图2、图4所示，可变形骨架中的类蜂窝单元具体形状描述如下：包括三个可变形方格、两个不变形方格、两个不变形开口槽；所述的三个可变形方格分别为第一可变形方格3以及第一可变形方格3上侧两端分布的第二可变形方格4；所述的两个不变形方格分别为第一不变形方格5以及第二不变形方格6；所述的两个不变形开口槽分别为第一不变形开口槽7以及第二不变形开口槽8；所述的第二不变形方格6位于第一可变形方格3顶部，且位于两个第二可变形方格4之间；所述的第一不变形方格5位于第一可变形方格3的底部；所述的第一不变形开口槽7以及第二不变形开口槽8分别位于可变形方格两侧；所述的第一不变形方格5、第二不变形方格6、第一不变形开口槽7、第二不变形开口槽8中均设置有横向隔板9。规定x轴方向为长，y轴方向为宽，类蜂窝单元2中的第二可变形方格4的长为a，宽为b；第一可变形方格3长为2a+c，宽为b；顶部的第二不变形方格6长为c，宽为2b；底部第一不变形方格(5)长为c，宽为b；左右两侧的第一不变形开口槽7以及第二不变形开口槽8等长等宽，长为c/2，宽为2b。类蜂窝单元的等效长度为2(a+c)，等效宽度为4b。类蜂窝壁厚t远小于壁长。为使可变形骨架自身具备横侧向抗剪能力，在不变形方格与不变形开口槽的中间布置横向隔板9，优选的，横向隔板9设置于第一不变形方格5、第二不变形方格6、第一不变形开口槽7、第二不变形开口槽8的1/2高度处，横向隔板9厚度与类蜂窝单元壁厚相同，边长与对应孔隙壁长一致。通过改变可变形骨架高度h，类蜂窝单元壁长abc、壁厚t与纵向筋条厚度ts等结构参数，调整可变形骨架的变形效果与承载能力，得到满足使用需求的可变形骨架。考虑到气密性问题，以及可变形骨架存在孔隙，影响承受均布载荷时柔性蒙皮表面的光顺度，采用硅胶发泡方法。以硅胶发泡的形式在可变形骨架的孔隙处进行填充，再在表面覆盖弹性胶膜，则发泡硅胶和弹性胶膜连接成一体，气密性得到保证，由此得到表面光顺平滑的柔性蒙皮结构。该柔性蒙皮与翼肋连接，在连接处要注意配合得当，协调设计。具体实施例如下：取柔性蒙皮的长l＝250mm，宽w＝250mm，高h＝11mm，柔性蒙皮表面受到0.05mpa的均布载荷，柔性蒙皮变形的驱动力为100n。可变形骨架采用7系铝合金，高h＝10mm，弹性模量e＝71.7gpa，泊松比μ＝0.33，密度ρ＝2.81g/cm3。纵向筋条提供面外抗弯刚度，为保证柔性蒙皮结构可承受面外载荷，要求在载荷作用下，纵向筋条沿高度方向的变形ω≤1.5mm。设n个纵向筋条总宽度为w,将n个纵向筋条合为一根梁来计算承载能力，利用abaqus软件进行分析。为消除边界条件的影响，建立一个750mm长的三跨矩形梁模型，最终只取中间一跨的250mm段进行结果分析。梁截面的高度h为10mm，设宽度w也为10mm。将梁一端固支，其余三个支点均为简支。在梁表面施加上文所述载荷后，得中间跨的最大变形量为1.348mm，满足变形量要求。因此可以取梁宽度w＝10mm。令n＝25，共布置25根纵向筋条，则每根纵向筋条的宽度ts＝0.4mm。这些纵向筋条可以承受面外载荷。在相邻两根纵向筋条间布置类蜂窝单元，类蜂窝单元的等效长度与等效宽度均设为10mm，令其壁长a＝b＝c＝2.5mm，取壁厚t＝0.1mm。经计算验证，类蜂窝单元可以抵抗0.05mpa的面外载荷。按照以上尺寸通过3d打印技术制作出可变形骨架。由于可变形骨架中纵向筋条与类蜂窝单元的排布具有重复性，且变形是由类蜂窝单元产生，纵向筋条不变形。取相邻两个类蜂窝单元作为代表元进行分析，类蜂窝代表元示意图如图4所示。利用abaqus软件进行有限元仿真，把类蜂窝单元与纵向筋条连接的顶面的边界条件设为固支约束，不变形开口槽与相邻单元的连接面处约束纵向和高度方向的位移与转角，在类蜂窝单元底面施加100n驱动力，此时结构的最大变形值为2.677mm，则结构的最大变形量为26.77％。仿真变形效果图如图5所示。在可变形骨架的孔隙处用发泡硅胶进行填充并在可变形骨架表面铺设硅胶面板，制作出柔性蒙皮结构。蒙皮结构不能太厚，选取硅胶面板厚度tf＝1mm。硅胶面板的长度、宽度与柔性蒙皮相同。特征参数取值特征参数取值类蜂窝壁长a、b、c2.5mm纵向筋条数量25类蜂窝壁厚t0.1mm纵向筋条厚度ts0.4mm可变形骨架高度h10mm硅胶面板厚度tf1mm调整纵向筋条的厚度与高度、类蜂窝单元的壁长和壁厚以及弹性胶膜的厚度等尺寸参数，可以得到具有不同变形与承载效果的柔性蒙皮，满足各种不同的设计需求。这样，设计出的柔性蒙皮表面光顺平滑，具有面外抗弯抗剪能力，同时具有较好的面内单方向伸缩变形效果。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。当前第1页12