一種用于自適應(yīng)鼓包進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【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于自適應(yīng)鼓包進氣道的柔性蒙皮。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可以達到自適應(yīng)鼓包進氣道的最高型面。本發(fā)明使進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)進氣道的喉道面積，解決了常規(guī)鼓包進氣道型面不可調(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【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于自適應(yīng)鼓包進氣道的柔性蒙皮。

【背景技術(shù)】
[0002]先進超音速戰(zhàn)斗機具有寬速域、高機動、高隱身能力的特征。為了提高飛機的隱身性能，第四代戰(zhàn)斗機普遍采用了三元進氣道，例如美國的卜35飛機使用的811卹(鼓包)進氣道。但是，這種進氣道的三維型面不可調(diào)節(jié)，只能在設(shè)計飛行速度下達到最佳性能，而在非設(shè)計點處的性能變差。如果進氣道在全飛行包線內(nèi)都能夠保持高性能，將會顯著地提高超音速戰(zhàn)斗機的飛行性能和作戰(zhàn)能力。
[0003]自適應(yīng)鼓包進氣道可以根據(jù)飛機的飛行速度，自適應(yīng)地改變進氣道鼓包型面的結(jié)構(gòu)形狀，從而調(diào)節(jié)進氣道的喉道面積，滿足發(fā)動機在不同飛行狀態(tài)下的流量需求，使進氣道在大范圍飛行速度和攻角下都能夠保持良好的氣動性能和進發(fā)匹配特性，全面提升超音速戰(zhàn)斗機的性能。
[0004]為了實現(xiàn)鼓包進氣道的自適應(yīng)功能，鼓包型面需要在較大的范圍內(nèi)反復(fù)改變形狀，同時還需要具備承受進氣道氣動載荷的能力。在這種情況下，使用常規(guī)的金屬材料難以達到設(shè)計要求，因此采用柔性蒙皮是一種理想的實現(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)鼓包進氣道的設(shè)計要求，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載荷；所述柔性蒙皮在變形最大時可以達到自適應(yīng)鼓包進氣道的最高型面。
[0007]進一步地，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)鼓包進氣道的柔性蒙皮，使進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)進氣道的喉道面積，解決了常規(guī)鼓包進氣道型面不可調(diào)節(jié)的問題，使進氣道在不同飛行狀態(tài)下都具有最優(yōu)的氣動性能和進發(fā)匹配特性。同時，該柔性蒙皮能夠承受進氣道的氣動載荷，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)鼓包進氣道的柔性蒙皮的一種【具體實施方式】的主要幾何設(shè)計參數(shù)；
[0014]圖4是本發(fā)明用于自適應(yīng)鼓包進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。

【具體實施方式】
[0016]下面對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步詳細說明。
[0017]鼓包進氣道中的鼓包型面是一個經(jīng)過氣動設(shè)計的三維型面，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)鼓包進氣道的基礎(chǔ)型面一致，如圖2所示。在飛機的飛行過程中，柔性蒙皮可以根據(jù)設(shè)計要求產(chǎn)生變形。柔性蒙皮達到最大變形量時的位置即為自適應(yīng)鼓包進氣道的最高型面。此時，柔性蒙皮中的高彈纖維最大伸長量為20%。根據(jù)飛機的實際飛行速度，通過自適應(yīng)鼓包進氣道附帶的變形驅(qū)動裝置對柔性蒙皮進行驅(qū)動，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)進氣道的喉道面積，實現(xiàn)鼓包進氣道的自適應(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)鼓包進氣道的設(shè)計要求，以及進氣道喉道面積的變化需求，在鼓包型面上選擇適當范圍的區(qū)域，作為變形區(qū)域。
[0022]該變形區(qū)域為橢圓形輪廓的扁球殼，其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(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，柔性蒙皮還需要具有足夠的面外剛度，在進氣道氣動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，其位移、應(yīng)力、應(yīng)變等力學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)計和材料布置后，采用有限元仿真分析軟件仙叫118對柔性蒙皮的變形過程進行分析。
[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算模型，在模型中對彈性膠膜和高彈纖維的結(jié)構(gòu)形式和材料屬性進行模擬。
[0033]柔性蒙皮的變形過程屬于大變形力學行為，因此，應(yīng)當采用非線性算法進行計算?？紤]變形驅(qū)動裝置的驅(qū)動載荷和進氣道的氣動載荷對柔性蒙皮的作用，計算柔性蒙皮從基礎(chǔ)型面變形到最高型面過程中的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等力學量。
[0034]柔性蒙皮在變形過程中不應(yīng)發(fā)生破壞。如果計算結(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，重新進行有限元建模和計算。
[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，重新進行有限元建模和計算。
[0036]經(jīng)過多次局部調(diào)整和迭代計算，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)計方案。
[0037]上述實施方式僅為本發(fā)明的最優(yōu)實施例，但本發(fā)明并不局限于上述實施例。在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下，可以根據(jù)具體的設(shè)計需求對實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)鼓包進氣道的設(shè)計要求，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載荷；所述柔性蒙皮在變形最大時可以達到自適應(yīng)鼓包進氣道的最高型面。
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】B64D33/02GK104401497SQ201410667891
【公開日】2015年3月11日 申請日期: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 申請人:中國航空工業(yè)集團公司沈陽飛機設(shè)計研究所