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用于变体机翼的大变形柔性蒙皮构型及性能的初步探究

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 变体机翼背景

1.2 变体机翼蒙皮的国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 纤维增强复合材料波纹蒙皮基体特性研究及参数优化

2.1 纤维增强复合材料及波纹结构蒙皮

2.1.1 纤维增强复合材料

2.1.2 波纹结构蒙皮

2.2 纤维增强复合材料波纹蒙皮基体纵向拉伸变形特性研究

2.2.1 纵向拉伸力学模型假设

2.2.2 载荷作用线经过圆弧圆心的力学模型

2.2.3 载荷作用线经过圆弧中心时δx的一般表达式

2.2.4 载荷作用线与圆弧相切的力学模型

2.2.5 载荷作用线与圆弧相切时δx的一般表达式

2.2.6 两种波纹受力变形情况比较

2.3 纤维增强复合材料波纹蒙皮基体横向弯曲承载能力研究

2.3.1 横向弯曲承载模型

2.3.2 三点弯曲最大挠度的计算

2.3.3 同等厚度平板结构与波纹结构的计算比较

2.3.4 均布载荷下试件弯曲的挠曲线计算

2.4 算例

2.4.1 材料弹性模量计算

2.4.2 拉伸算例

2.4.3 三点弯曲最大挠度算例

2.5 实验验证

2.5.1 纤维起到增强作用的最小体积含量推导

2.5.2 波纹试件制备

2.5.3 波纹蒙皮性能测试

2.5.4 实验数据分析

2.6 波纹几何参数优化

2.6.1 设计变量

2.6.2 目标函数

2.6.3 约束条件

2.6.4 MATLAB优化程序

2.6.5 优化结果理论分析

2.6.6 优化试件测试实验

2.7 本章小结

第三章 丝状SMA驱动器的埋入与驱动特性初探

3.1 埋入丝状SMA驱动器的目的

3.2 SMA简介

3.2.1 马氏体与马氏体相变

3.2.2 形状记忆效应(Shape Memory Effect,SME)

3.2.3 相变温度

3.3 丝状SMA驱动器的埋入

3.3.1 SMA的驱动器设计

3.3.2 丝状SMA的埋入装置

3.3.3 埋入丝状SMA试件的制作工艺

3.3.4 拉伸性能测试

3.4 波纹蒙皮基体驱动实验

3.4.1 SMA热激励及制冷方式

3.4.2 蒙皮基体驱动实验

3.4.3 实验结果分析

3.5 本章小结

第四章 红外测温系统设计

4.1 红外测温的基本原理

4.2 硬件电路设计

4.2.1 红外温度传感器

4.2.2 AD转换器

4.2.3 单片机最小系统及外围电路

4.2.4 液晶显示电路

4.2.5 外部数据存储器

4.2.6 硬件电路

4.3 软件设计

4.3.1 软件总体设计

4.3.2 各子模块程序设计

4.4 误差分析

4.4.1 传感器误差

4.4.2 AD转换误差

4.5 测试系统实际工作情况

4.6 本章小结

第五章 蜂窝型柔性蒙皮初步探究

5.1 研究现状

5.2 基于Y模型的x、y方向等效弹性模量

5.2.1 基于Y模型的x方向等效弹性模量

5.2.2 基于Y模型的y方向等效弹性模量

5.2.3 基于Y模型的x、y方向等效弹性模量分析

5.3 算例

5.4 实验

5.4.1 实验介绍

5.4.2 实验分析

5.5 本章小结

第六章 总结

6.1 研究结论

6.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

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摘要

变体机翼成为未来先进飞行器的发展方向之一。变体机翼为了实现光滑大变形以及承受较大的气动载荷,要求机翼蒙皮沿变形方向有较大柔度,在垂直变形方向有较强的抗弯刚度。波纹结构在沿波纹方向(纵向)有较大柔度,在垂直于波纹方向(横向)有较大的抗弯刚度,因此,可以作为变体机翼蒙皮的一种候选结构。本文的研究重点是波纹式纤维增强复合材料蒙皮,另外对蜂窝柔性蒙皮构型进行了初步探究。
   为研究波纹蒙皮特性,提出了波纹蒙皮基体的纵向拉伸及横向弯曲承载分析模型,得到了纵向伸长量及横向抗弯刚度的计算式。制作了纤维增强复合材料波纹蒙皮基体试件,通过实验测试证明了理论计算模型的正确性。在此基础上,对波纹结构参数进行了优化,优化件测试结果表明:优化后的波纹蒙皮基体纵向拉伸性能得到了显著地提高,且保持了较强的横向承载能力。
   为使蒙皮具有主动变形能力,设计制作了将形状记忆合金(SMA)作为驱动器埋入蒙皮内部的装置,并用该装置制作了试件。驱动实验显示:弹性变形范围内,可利用蒙皮自身弹性使蒙皮回复为原来形状;用热电片对SMA制冷后,蒙皮回复速度有了明显提高。此外,本文开发了红外测温系统,用于实时监测SMA及蒙皮表面温度,保证蒙皮稳定、正常工作,为蒙皮的变形控制提供了研究基础。
   最后,对蜂窝式柔性蒙皮进行了初步探究,推导了基于Y模型的蜂窝胞元在单向应力下x、y方向的等效弹性模量,并对蜂窝测试件进行了拉伸测试。

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