具有传感与驱动功能的蜂窝结构机翼蒙皮特性研究

作     者：翟宏州 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：芦吉云

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：蜂窝结构柔性蒙皮 复合材料 有限元仿真 形状记忆合金 光纤布拉格光栅 

摘      要：本文介绍了变体机翼在民用航空领域的应用前景以及变体机翼的研究现状，在此基础上重点研究一种满足变体机翼连续柔顺变形要求的蜂窝结构复合材料蒙皮。从蜂窝结构蒙皮的理论建模、先进驱动结构以及传感监测三方面展开研究，主要内容如下： 首先，基于Y模型，考虑双层蜂窝胞壁结构，推导了蜂窝结构面内拉伸变形量的计算表达式;采用***/Nastran进行了蜂窝结构柔性复合材料蒙皮拉伸变形仿真分析;给出了蜂窝结构蒙皮样件的制作方法并试制了柔性蒙皮试验件，在此基础上完成蒙皮样件拉伸变形测试实验。将仿真结果与实验数据进行比较分析，两者误差在10%以内，验证了仿真模型的有效性以及蜂窝结构复合材料柔性蒙皮具有良好的变形性能。 其次，介绍了形状记忆合金（SMA）的基本概念、热力学模型及回复方式、热处理与触发方式等;设计制作了内嵌形状记忆合金丝的复合材料驱动夹层，完成蜂窝结构基体与驱动夹层的集成。进行了蒙皮试件变形性能测试，实验结果表明：蒙皮样件在2A/3A激励电流作用下样件自由端实现3mm位移所需时间分别为431.4s/12.6s，86s/23.6s;3A激励电流作用时可实现最大变形角度分别为5.1°及8°。此外，工艺改进之后制作的可变形蒙皮试件采用温控实验箱加热的变形测试实验中可以实现上反和后掠变形的最大角度分别为31.13°及46.88°。 最后，设计制作了光纤光栅传感夹层，结合有限元仿真结果，对蜂窝蒙皮试件进行拉伸实验，提出利用光纤布拉格光栅（FBG）光谱特性分析拉伸过程中蒙皮倾斜胞壁处受到的非均匀应变情况和铺层失效过程;实验结果表明：在y轴向拉伸过程中存在反复的伸缩行为，光谱表现为在初始中心波长左右范围内震荡，并发生分裂现象。对蜂窝蒙皮主动变形过程进行实验研究，研究结果表明第4蜂窝胞壁水平面上变形量大于第2蜂窝胞壁水平面，变形量分别为174μ与233μ。