一種用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮。所述柔性蒙皮由彈性膠膜和高彈纖維復(fù)合而成；所述彈性膠膜作為基體材料，是由橡膠加工而成的、具有一定厚度和彈性的膜狀結(jié)構(gòu)；所述高彈纖維作為增強(qiáng)材料，由經(jīng)向纖維和緯向纖維交叉排布，構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并嵌入彈性膠膜的內(nèi)部；所述高彈纖維可以隨彈性膠膜一起變形；所述柔性蒙皮在變形最大時(shí)可以達(dá)到自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的最高型面。本發(fā)明使進(jìn)氣道的鼓包型面能夠在一定范圍內(nèi)反復(fù)改變形狀，從而調(diào)節(jié)進(jìn)氣道的喉道面積，解決了常規(guī)鼓包進(jìn)氣道型面不可調(diào)節(jié)的問題。
【專利說明】一種用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮。

【背景技術(shù)】
[0002]先進(jìn)超音速戰(zhàn)斗機(jī)具有寬速域、高機(jī)動(dòng)、高隱身能力的特征。為了提高飛機(jī)的隱身性能，第四代戰(zhàn)斗機(jī)普遍采用了三元進(jìn)氣道，例如美國的卜35飛機(jī)使用的811卹(鼓包)進(jìn)氣道。但是，這種進(jìn)氣道的三維型面不可調(diào)節(jié)，只能在設(shè)計(jì)飛行速度下達(dá)到最佳性能，而在非設(shè)計(jì)點(diǎn)處的性能變差。如果進(jìn)氣道在全飛行包線內(nèi)都能夠保持高性能，將會(huì)顯著地提高超音速戰(zhàn)斗機(jī)的飛行性能和作戰(zhàn)能力。
[0003]自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道可以根據(jù)飛機(jī)的飛行速度，自適應(yīng)地改變進(jìn)氣道鼓包型面的結(jié)構(gòu)形狀，從而調(diào)節(jié)進(jìn)氣道的喉道面積，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在不同飛行狀態(tài)下的流量需求，使進(jìn)氣道在大范圍飛行速度和攻角下都能夠保持良好的氣動(dòng)性能和進(jìn)發(fā)匹配特性，全面提升超音速戰(zhàn)斗機(jī)的性能。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)鼓包進(jìn)氣道的自適應(yīng)功能，鼓包型面需要在較大的范圍內(nèi)反復(fù)改變形狀，同時(shí)還需要具備承受進(jìn)氣道氣動(dòng)載荷的能力。在這種情況下，使用常規(guī)的金屬材料難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此采用柔性蒙皮是一種理想的實(shí)現(xiàn)途徑。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮，該柔性蒙皮能夠在一定范圍內(nèi)反復(fù)改變形狀，并且具有承受氣動(dòng)載荷的能力。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮，所述柔性蒙皮的初始形狀與自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的基礎(chǔ)型面一致，其特征為:所述柔性蒙皮由彈性膠膜和高彈纖維復(fù)合而成；所述彈性膠膜作為基體材料，是由橡膠加工而成的、具有一定厚度和彈性的膜狀結(jié)構(gòu)，其作用是根據(jù)自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)生所需要的變形，并維持柔性蒙皮的表面形狀；所述高彈纖維作為增強(qiáng)材料，由經(jīng)向纖維和緯向纖維交叉排布，構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并嵌入彈性膠膜的內(nèi)部；所述高彈纖維可以隨彈性膠膜一起變形，其作用是提高柔性蒙皮的剛度，使柔性蒙皮能夠承受其表面的氣動(dòng)載荷；所述柔性蒙皮在變形最大時(shí)可以達(dá)到自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的最高型面。
[0007]進(jìn)一步地，所述制造彈性膠膜的橡膠種類可以是硅橡膠、丁腈橡膠等。
[0008]進(jìn)一步地，所述制造高彈纖維的材料可以是尼龍纖維、氨綸纖維等織物纖維、也可以是金屬彈簧絲等金屬纖維。
[0009]進(jìn)一步地，所述高彈纖維的最大伸長量為20%。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:提供一種用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮，使進(jìn)氣道的鼓包型面能夠在一定范圍內(nèi)反復(fù)改變形狀，從而調(diào)節(jié)進(jìn)氣道的喉道面積，解決了常規(guī)鼓包進(jìn)氣道型面不可調(diào)節(jié)的問題，使進(jìn)氣道在不同飛行狀態(tài)下都具有最優(yōu)的氣動(dòng)性能和進(jìn)發(fā)匹配特性。同時(shí)，該柔性蒙皮能夠承受進(jìn)氣道的氣動(dòng)載荷，具有良好的工程適用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮變形范圍示意圖；
[0013]圖3是本發(fā)明用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮的一種【具體實(shí)施方式】的主要幾何設(shè)計(jì)參數(shù)；
[0014]圖4是本發(fā)明用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮示意圖；
[0015]其中，1-彈性膠膜、2-高彈纖維、23-經(jīng)向纖維、2卜緯向纖維。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017]鼓包進(jìn)氣道中的鼓包型面是一個(gè)經(jīng)過氣動(dòng)設(shè)計(jì)的三維型面，如圖1所示。在鼓包型面上，選取一定范圍的區(qū)域作為鼓包進(jìn)氣道的變形區(qū)域。該變形區(qū)域的輪廓通常為橢圓形，也可以是圓形或者其它適宜的形狀。在變形區(qū)域內(nèi)，使用本發(fā)明所述柔性蒙皮附著在鼓包進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)原有的金屬蒙皮外表面上。在變形區(qū)域的邊界，使用緊固件連接或膠接的方式將柔性蒙皮固定在鼓包進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)上。
[0018]柔性蒙皮的初始形狀與自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的基礎(chǔ)型面一致，如圖2所示。在飛機(jī)的飛行過程中，柔性蒙皮可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生變形。柔性蒙皮達(dá)到最大變形量時(shí)的位置即為自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的最高型面。此時(shí)，柔性蒙皮中的高彈纖維最大伸長量為20%。根據(jù)飛機(jī)的實(shí)際飛行速度，通過自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道附帶的變形驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)柔性蒙皮進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使柔性蒙皮在基礎(chǔ)型面和最高型面之間往復(fù)變形，從而調(diào)節(jié)進(jìn)氣道的喉道面積，實(shí)現(xiàn)鼓包進(jìn)氣道的自適應(yīng)功能。
[0019]本發(fā)明所述柔性蒙皮的一種具體設(shè)計(jì)過程包括以下步驟:
[0020]1)確定鼓包型面的變形區(qū)域
[0021]根據(jù)自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)要求，以及進(jìn)氣道喉道面積的變化需求，在鼓包型面上選擇適當(dāng)范圍的區(qū)域，作為變形區(qū)域。
[0022]該變形區(qū)域?yàn)闄E圓形輪廓的扁球殼，其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)包括半長軸11、半短軸12、最大聞度和厚度1:等，如圖3所不。
[0023]2)確定柔性蒙皮的結(jié)構(gòu)形式和材料
[0024]柔性蒙皮由彈性膠膜1和高彈纖維2復(fù)合加工而成，其初始構(gòu)型與鼓包進(jìn)氣道的基礎(chǔ)型面一致，也呈扁球殼形狀，如圖4所示。
[0025]柔性蒙皮需要產(chǎn)生較大的面內(nèi)變形，因此，采用彈性膠膜1作為柔性蒙皮的基體材料。彈性膠膜1是由橡膠材料加工而成的、具有彈性的薄膜狀結(jié)構(gòu)。橡膠材料可以是硅橡膠、丁腈橡膠，也可以選擇其它能夠滿足柔性蒙皮變形要求的橡膠。
[0026]同時(shí)，柔性蒙皮還需要具有足夠的面外剛度，在進(jìn)氣道氣動(dòng)載荷的作用下能夠保持所需的形狀。因此，采用高彈纖維2作為柔性蒙皮的增強(qiáng)材料。沿著橢圓形變形區(qū)域短軸方向的經(jīng)向纖維23，和沿著長軸方向的緯向纖維26，通過交叉排布構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在彈性膠膜1高溫硫化的加工過程中，將高彈纖維2與彈性膠膜1 一體成型，從而使高彈纖維2嵌入彈性膠膜1的內(nèi)部。
[0027]高彈纖維2宜選擇高彈性模量、高變形率的材料，可以是尼龍纖維、氨綸纖維等織物纖維，或者金屬彈簧絲等金屬纖維之中的一種或幾種。其中，尼龍纖維、氨綸纖維可以是單股形式，也可以是多股纖維纏繞而成的纖維束；金屬彈簧絲是平面內(nèi)彎折狀態(tài)，單根彈簧絲的直徑最大為0.5臟。
[0028]3)確定高彈纖維的材料分布和網(wǎng)格密度
[0029]柔性蒙皮產(chǎn)生變形時(shí)，其位移、應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)量主要取決于高彈纖維的材料屬性(如彈性模量、泊松比)及排布形式。
[0030]高彈纖維的種類也要根據(jù)鼓包型面的變形要求和承載要求進(jìn)行選擇。在柔性蒙皮中，不同位置、不同方向的纖維種類可以不同。
[0031]初步完成柔性蒙皮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料布置后，采用有限元仿真分析軟件仙叫118對(duì)柔性蒙皮的變形過程進(jìn)行分析。
[0032]首先，基于鼓包型面的初始形狀建立柔性蒙皮的有限元計(jì)算模型，在模型中對(duì)彈性膠膜和高彈纖維的結(jié)構(gòu)形式和材料屬性進(jìn)行模擬。
[0033]柔性蒙皮的變形過程屬于大變形力學(xué)行為，因此，應(yīng)當(dāng)采用非線性算法進(jìn)行計(jì)算?？紤]變形驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)載荷和進(jìn)氣道的氣動(dòng)載荷對(duì)柔性蒙皮的作用，計(jì)算柔性蒙皮從基礎(chǔ)型面變形到最高型面過程中的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)量。
[0034]柔性蒙皮在變形過程中不應(yīng)發(fā)生破壞。如果計(jì)算結(jié)果顯示柔性蒙皮在某一變形狀態(tài)下的局部應(yīng)力過高，表明高彈纖維的強(qiáng)度不足，需要增大高彈纖維的彈性模量。改變局部范圍內(nèi)高彈纖維的種類后，重新進(jìn)行有限元建模和計(jì)算。
[0035]柔性蒙皮在變形過程中不應(yīng)出現(xiàn)局部異常變形。如果計(jì)算結(jié)果顯示柔性蒙皮在載荷的作用下出現(xiàn)局部凸起、塌陷、波紋等變形奇異現(xiàn)象，表明高彈纖維的剛度不足。改變局部范圍內(nèi)高彈纖維的種類并加密高彈纖維的網(wǎng)格密度后，重新進(jìn)行有限元建模和計(jì)算。
[0036]經(jīng)過多次局部調(diào)整和迭代計(jì)算，確定高彈纖維的網(wǎng)格形狀和網(wǎng)格密度，以及不同部位的纖維類型，形成柔性蒙皮的設(shè)計(jì)方案。
[0037]上述實(shí)施方式僅為本發(fā)明的最優(yōu)實(shí)施例，但本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下，可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求對(duì)實(shí)施方式做出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種用于自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的柔性蒙皮，所述柔性蒙皮的初始形狀與自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的基礎(chǔ)型面一致，其特征為:所述柔性蒙皮由彈性膠膜和高彈纖維復(fù)合而成；所述彈性膠膜作為基體材料，是由橡膠加工而成的、具有一定厚度和彈性的膜狀結(jié)構(gòu)，其作用是根據(jù)自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)生所需要的變形，并維持柔性蒙皮的表面形狀；所述高彈纖維作為增強(qiáng)材料，由經(jīng)向纖維和緯向纖維交叉排布，構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并嵌入彈性膠膜的內(nèi)部；所述高彈纖維可以隨彈性膠膜一起變形，其作用是提高柔性蒙皮的剛度，使柔性蒙皮能夠承受其表面的氣動(dòng)載荷；所述柔性蒙皮在變形最大時(shí)可以達(dá)到自適應(yīng)鼓包進(jìn)氣道的最高型面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性蒙皮，其特征還在于:所述制造彈性膠膜的橡膠是硅橡膠或丁腈橡膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性蒙皮，其特征還在于:所述制造高彈纖維的材料是織物纖維或金屬纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性蒙皮，其特征還在于:所述高彈纖維的最大伸長量為20%。
【文檔編號(hào)】B64D33/02GK104401497SQ201410667891
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】邱濤, 周翌勛, 靳誠忠, 張音旋, 王鄢 申請(qǐng)人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所