分布式多自由度主动变形机翼的设计与研究

论文摘要

变体飞行器能够在飞行过程中根据外界环境和飞行状态的变化来改变自身的形状,从而获得最佳气动布局,提高飞行性能。变形机翼是变体飞行器研究的重要组成部分,本文在分布式多自由度主动变形机翼方面展开研究。基于形状记忆合金（SMA）的差动驱动原理,提出了主动变形单元的概念,阐述了主动变形单元的工作原理,建立了单元转角的数学模型,推导了变形单元的正运动学方程;利用单元组合的思想和特定的组合策略,得到分布式多自由度主动变形机翼构型及其正运动学模型。在SMA的Liang-Rogers本构方程及力学、传热学的相关理论基础上,建立了SMA驱动器的数学模型;设计并搭建了驱动器性能测试平台,完成了不同实验条件下SMA丝的测试实验,得到了SMA的关键性能参数,为主动变形机翼设计提供了参考数据。基于主动变形单元的概念及分布式多自由度主动变形原理,利用驱动器的数学模型和性能参数,设计了带有锁紧释放机构的主动变形单元,分析了其静力学和运动学特性;采用二维轴向组合策略,对由8个单元体组成的多自由度主动变形机翼结构进行了静力学和模态分析,校核了结构的强度,得到了结构前6阶固有频率和对应的振型。研制了主动变形单元的实验模型,搭建了主动变形单元试验台,进行了锁紧释放机构实验、单元转角实验以及单元刚度实验。实验相关结论验证了主动变形单元设计的合理性和相关理论的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状和分析
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 第2章 分布式多自由度主动变形原理
• 2.1 基于SMA差动驱动的主动变形单元
• 2.1.1 主动变形单元概念的提出
• 2.1.2 主动变形单元的工作原理
• 2.1.3 单元转角的数学模型
• 2.1.4 单元变形的正运动学模型
• 2.2 分布式多自由度主动变形结构
• 2.2.1 单轴向单元组合的一维变形结构
• 2.2.2 垂直轴向组合的二维变形结构
• 2.2.3 垂直轴向组合的三维变形结构
• 2.3 主动变形结构的运动学求解算例
• 2.4 本章小结
• 第3章 变形单元驱动器的数学建模及性能测试
• 3.1 驱动器数学模型的建立
• 3.1.1 应力、应变与温度的关系
• 3.1.2 SMA-弹簧系统的数学模型
• 3.1.3 SMA温度与加热电流、加热时间的关系
• 3.2 驱动器性能测试平台的设计
• 3.3 驱动器性能测试实验
• 3.3.1 常温下应力-应变实验
• 3.3.2 空载下温度-应变实验
• 3.3.3 恒定载荷下温度-应变实验
• 3.3.4 恒定应变下应力-温度实验
• 3.3.5 SMA温度、加热电流、时间关系实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 主动变形机翼的设计与分析
• 4.1 基于仿生分析的飞行器变形特点
• 4.2 主动变形单元设计
• 4.2.1 主动变形单元的总体设计
• 4.2.2 锁紧释放机构的设计
• 4.2.3 主动变形单元的正运动学方程
• 4.2.4 主动变形单元的静力学分析
• 4.3 主动变形机翼
• 4.3.1 主动变形机翼的结构构型
• 4.3.2 主动变形机翼结构的静力分析
• 4.3.3 多自由度变形机翼的动力学分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 主动变形单元的实验研究
• 5.1 实验模型及硬、软件设备
• 5.1.1 主动变形单元实验模型
• 5.1.2 实验硬、软件设备
• 5.2 变形单元的锁紧释放实验
• 5.2.1 变形单元的锁紧释放实验设置
• 5.2.2 实验结果与分析
• 5.3 主动变形单元转角实验
• 5.3.1 主动变形单元转角实验设置
• 5.3.2 实验结果与分析
• 5.4 主动变形单元刚度实验
• 5.4.1 主动变形单元刚度实验设置
• 5.4.2 实验结果与分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢