一種多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航空技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可用于流體流動控制的多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著航空技術(shù)的發(fā)展，可變形結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)越的性能正受到越來越多的 關(guān)注?？勺冃谓Y(jié)構(gòu)能夠通過改變其形狀來適應(yīng)不同的外部條件，最常見的如可變形機(jī)翼?？?變形結(jié)構(gòu)的興起對結(jié)構(gòu)本身提出了更加苛刻的要求：（1)需要結(jié)構(gòu)在一定條件下能產(chǎn)生大 變形；（2)在穩(wěn)定狀態(tài)下不需要提供支撐也能抵抗外界荷載；（3)結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量要輕。
[0003] 目前常規(guī)的可變形結(jié)構(gòu)通常利用自身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中較復(fù)雜的驅(qū)動系統(tǒng)如液壓裝置、 鉸鏈、可伸縮裝置來實(shí)現(xiàn)部件的剛體移動或轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)變形(如飛機(jī)的襟翼、副翼和尾舵）； 近期研宄較多的可變形結(jié)構(gòu)如利用壓電材料和形狀記憶合金材料來驅(qū)動結(jié)構(gòu)偏離平衡位 置以發(fā)生變形。這些驅(qū)動方法通常需要持續(xù)的能量輸入來維持結(jié)構(gòu)的變形，因此需要在變 形體系中植入一定的加載設(shè)備、控制設(shè)備、載荷維持設(shè)備，這必然會大大增加結(jié)構(gòu)的重量， 對于可變形結(jié)構(gòu)在航空航天上的運(yùn)用極為不利。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 基于以上不足之處，本發(fā)明提供了一種多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，該方 法設(shè)計(jì)的多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕盈，能夠?qū)崿F(xiàn)大變形且在穩(wěn)定狀態(tài)不需要提供額外 的支撐也具有足夠的剛度抵抗外界荷載，適用于航空技術(shù)領(lǐng)域，尤其是在需要控制氣流流 動的情況。
[0005] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，主要需要的材料和工具包括纖維編織復(fù)合材 料預(yù)浸料和熱壓罐，具體實(shí)施步驟如下： (1)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境確定層合板沿長度和寬度方向的尺寸，即先確定層合板的平面 形狀。
[0006] (2)彎曲剛度（EI)裁剪設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)數(shù)和層合板總長度的要求確定層合板 沿長度方向矩形截面二階矩的數(shù)值變化，確保其至少有4個以上的極小值點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)數(shù)=極小 值點(diǎn)數(shù)-1)。
[0007] (3)根據(jù)步驟（2)獲得的矩形截面二階矩的數(shù)值和已確定的寬度數(shù)據(jù)由矩形截面 二階矩計(jì)算公式反推得到沿長度方向?qū)雍习宓暮穸葦?shù)據(jù)。
[0008] (4)考慮單層纖維編織預(yù)浸料的厚度，對第三步得到的厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行等效離散化， 至此，變厚度復(fù)合材料層合板的尺寸設(shè)計(jì)結(jié)束。
[0009] (5)根據(jù)得到的層合板尺寸數(shù)據(jù)，裁剪預(yù)浸料，并按預(yù)定厚度進(jìn)行鋪層，采用熱壓 罐工藝固化成型，得到平面狀態(tài)下變剛度的層合板，其沿長度方向具有變剛度的特性。
[0010] (6 )完成輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：通過在層合板兩端施加位移約束對其施加預(yù)應(yīng)力，完成 整個多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的制作，得到的可調(diào)整多穩(wěn)態(tài)開關(guān)結(jié)構(gòu)具有開啟和關(guān)閉以及介 于這兩種狀態(tài)之間的多個穩(wěn)定狀態(tài)。要求輔助結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能為：為層合板施加預(yù)應(yīng) 力，提供必要的約束。
[0011] 本發(fā)明中，所述變剛度復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)的核心思想是通過控制截面的厚度控 制截面的二階面積矩進(jìn)而控制沿長度方向?qū)雍习宓膹澢鷦偠龋‥I )，得到變剛度復(fù)合材料層 合板。
[0012] 本發(fā)明中，通過施加位移約束條件對層合板施加預(yù)應(yīng)力，使約束后的層合板具有 多個勢能極小值點(diǎn)，從而表現(xiàn)出多穩(wěn)態(tài)特性。
[0013] 本發(fā)明中，所使用的復(fù)合材料為纖維編織復(fù)合材料，使其截面內(nèi)各層具有相同的E 值。
[0014] 本發(fā)明中，其應(yīng)用范圍為需要控制流體流動的情況，對流體的流動控制不僅僅局 限于允許通過和禁止通過，還可以控制允許通過的程度。
[0015] 本發(fā)明的工作原理：在工作過程中需要系統(tǒng)提供一個驅(qū)動力，當(dāng)其數(shù)值超過層合 板狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界載荷時，層合板能夠從一種穩(wěn)定狀態(tài)跳變至另一種穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多穩(wěn) 態(tài)開關(guān)結(jié)構(gòu)的開啟程度的調(diào)整。
[0016] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：通過本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)具有多個穩(wěn) 態(tài)構(gòu)型，在一定驅(qū)動載荷作用下能夠從一種穩(wěn)態(tài)構(gòu)型跳變至另外一種穩(wěn)態(tài)構(gòu)型；處于穩(wěn)態(tài) 構(gòu)型下該結(jié)構(gòu)不需要提供支撐也能抵抗外界荷載；同時結(jié)構(gòu)本身具有復(fù)合材料比剛度比強(qiáng) 度高的特性，質(zhì)量輕盈。通過提供一些輔助結(jié)構(gòu)作為約束能夠使該結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)出開關(guān)元 件的特性，可以實(shí)現(xiàn)諸如對氣流進(jìn)出飛行器艙內(nèi)外的控制等一些基本功能。
【附圖說明】
[0017] 圖1為三穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)-開啟狀態(tài)； 圖2為三穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)-中間狀態(tài)(部分開啟）； 圖3為三穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)-關(guān)閉狀態(tài)； 圖4為三穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)-沿長度方向剖面圖； 圖5為纖維編織復(fù)合材料層合板平面形狀； 圖6為沿長度方向矩形截面的二階截面矩的變化曲線； 圖7為沿長度方向?qū)雍习搴穸鹊淖兓?連續(xù)變化及其等效離散化）； 圖8為位移控制條件下驅(qū)動力隨位移的變化曲線(開啟_>部分開啟_>關(guān)閉)。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0019] 本發(fā)明提供了一種多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，整個設(shè)計(jì)的全部過程如 下： 首先，根據(jù)某三穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的具體使用條件明確其平面形狀(寬度Ly(X)沿 長度方向的變化)，見圖5。
[0020] 據(jù)此確定沿長度方向截面的二階面積矩Ixx (X)隨長度的變化關(guān)系，使其滿足在 定義域內(nèi)（總長度內(nèi)）具有三個極小值點(diǎn)，見圖6。
[0021] 由矩形截面Ixx (X)的表達(dá)式，已知Ixx (X)及其各處的寬度Ly(X)值，可以反推 得到復(fù)合材料層合板各處的厚度H (X):
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述方法步驟如下： (1) 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境確定復(fù)合材料層合板沿長度和寬度方向的尺寸，即先確定層合 板的平面形狀； (2) 彎曲剛度裁剪設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)數(shù)和層合板總長度的要求確定層合板沿長度方 向矩形截面面積二階矩的數(shù)值變化； (3) 根據(jù)步驟（2)中所獲得的矩形截面面積二階矩的數(shù)值和已確定的寬度數(shù)據(jù)由矩形 截面二階矩的計(jì)算公式反推得到層合板各處的厚度數(shù)據(jù)； (4) 考慮單層纖維編織預(yù)浸料的厚度不能連續(xù)變化，對第三步得到的厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行等 效離散化； (5) 根據(jù)得到的層合板尺寸數(shù)據(jù)，裁剪預(yù)浸料，并按預(yù)定厚度進(jìn)行鋪層，采用熱壓罐工 藝固化成型，得到平面狀態(tài)下變剛度的層合板； (6) 借助輔助結(jié)構(gòu)對變剛度層合板施加位移約束，完成整個多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的 制作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述穩(wěn)態(tài)數(shù)= 極小值點(diǎn)數(shù)_1。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述極小值點(diǎn) 數(shù)至少有4個以上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟三 中，由層合板各處矩形截面二階矩Ixx(x)的數(shù)值及其各處的寬度Ly(x)值，按照以下公 式計(jì)算得到復(fù)合材料層合板各處的厚度H(x):
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述復(fù)合材料 為纖維編織復(fù)合材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述多穩(wěn)態(tài)可 變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍為需要控制流體流動的情況。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述對流體的 流動控制為允許通過、禁止通過或控制允許通過的程度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述輔助結(jié)構(gòu) 能夠?qū)崿F(xiàn)的功能為：為層合板施加預(yù)應(yīng)力，提供必要的約束。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其步驟如下：（1）根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境確定復(fù)合材料層合板的平面形狀；（2）根據(jù)設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)數(shù)和層合板總長度的要求確定層合板沿長度方向矩形截面面積二階矩的數(shù)值變化；（3）根據(jù)矩形截面二階矩的數(shù)值和已確定的寬度數(shù)據(jù)反推得到層合板各處的厚度數(shù)據(jù)；（4）考慮所使用單層纖維編織預(yù)浸料的厚度是一定值，不能連續(xù)變化，對第三步得到的厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行等效離散化；（5）根據(jù)得到的層合板尺寸數(shù)據(jù)，裁剪預(yù)浸料，并按預(yù)定厚度進(jìn)行鋪層，采用熱壓罐工藝固化成型；（6）借助輔助結(jié)構(gòu)對變剛度層合板施加位移約束，完成整個開關(guān)結(jié)構(gòu)的制作。該方法設(shè)計(jì)的多穩(wěn)態(tài)可變形開關(guān)結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕盈，能夠?qū)崿F(xiàn)大變形且在穩(wěn)定狀態(tài)不需要提供額外的支撐也具有足夠的剛度抵抗外界荷載。
【IPC分類】B29C70-54, B29C70-44
【公開號】CN104772913
【申請?zhí)枴緾N201510192049
【發(fā)明人】戴福洪, 周曉軍
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月22日