一種可伸縮充壓管驅(qū)動(dòng)元件及其應(yīng)用研究*

張 平

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 國家級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)中心， 安徽 合肥 230088)

一種可伸縮充壓管驅(qū)動(dòng)元件及其應(yīng)用研究*

張 平1，2

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 國家級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)中心， 安徽 合肥 230088)

自適應(yīng)技術(shù)被認(rèn)為是提高傳感器飛行器續(xù)航能力的有效途徑之一，而驅(qū)動(dòng)器是自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可以實(shí)施的保障。文中提出了一種“驅(qū)動(dòng)件即結(jié)構(gòu)件”的可伸縮充壓管驅(qū)動(dòng)元件，具有驅(qū)動(dòng)和承載雙重作用。建立了可伸縮充壓管的力學(xué)模型并推導(dǎo)得到等效剛度的簡(jiǎn)化公式。將充壓管驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用到某自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)中，對(duì)機(jī)翼在氣流擾動(dòng)下的振動(dòng)變形進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明可伸縮充壓管可以產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)位移，同時(shí)可以為自適應(yīng)結(jié)構(gòu)提供有效的剛度支撐。

傳感器飛行器；自適應(yīng)技術(shù)；可伸縮充壓管

引 言

自適應(yīng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)翼型彎度、厚度等重要參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，提高飛行器整個(gè)飛行包線內(nèi)的氣動(dòng)效率，在先進(jìn)傳感器飛行器中有著重要的應(yīng)用前景[1-3]。而驅(qū)動(dòng)裝置是自適應(yīng)變形的保障，研究人員普遍認(rèn)為適合自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器需要滿足重量輕、可以提供較大的驅(qū)動(dòng)力和位移等要求[4-5]。

傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方法有液壓、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等[6-7]，液壓驅(qū)動(dòng)可以輸出較大的力和位移，但是作動(dòng)筒重量大；電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)重量較小，但是功率體積比不高且工作可靠性有待加強(qiáng)。近年來，新式驅(qū)動(dòng)器如壓電堆積、超聲電機(jī)、SMA驅(qū)動(dòng)器得到了廣泛研究，壓電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)輕、驅(qū)動(dòng)力大[8]，但是驅(qū)動(dòng)位移小，將壓電效應(yīng)與機(jī)械振動(dòng)結(jié)合的超聲電機(jī)克服了驅(qū)動(dòng)位移不足的缺點(diǎn)，目前在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，還需解決輸出功率小以及使用壽命短等問題。SMA驅(qū)動(dòng)具備較高的輸出功率體積比[9]，由于材料對(duì)溫度敏感，實(shí)際環(huán)境下不易控制。

綜合考慮驅(qū)動(dòng)效率、變形控制以及驅(qū)動(dòng)力和位移，傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)在自適應(yīng)機(jī)翼設(shè)計(jì)中仍然具有工程應(yīng)用空間。尤其對(duì)于尺寸較大的無人飛行器，一般自帶液壓源，只要能夠控制驅(qū)動(dòng)元件的重量，對(duì)整個(gè)飛行器附加重量的影響是可以接受的。而常規(guī)的集中式剛性液壓作動(dòng)筒的重量顯然難以滿足要求。

本文通過結(jié)構(gòu)靈巧設(shè)計(jì)，提出了一種“驅(qū)動(dòng)件即結(jié)構(gòu)件”的可伸縮充壓管，具有重量輕、可輸出較大驅(qū)動(dòng)力和位移的特點(diǎn)。此外，該驅(qū)動(dòng)元件還可以提供軸向剛度，用在自適應(yīng)機(jī)翼上，可以抵抗可變形結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變形。給出了該可伸縮充壓管的結(jié)構(gòu)方案和工作原理，建立了其等效剛度分析模型，并推導(dǎo)了等效軸向剛度的計(jì)算公式。將該可伸縮充壓管陣列應(yīng)用于某后緣變彎度機(jī)翼中并對(duì)后者的變形效果進(jìn)行了仿真，結(jié)果顯示該可伸縮充壓管可以產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)變形，同時(shí)可以有效地抑制機(jī)翼后緣在氣流中的振動(dòng)變形。

1 可伸縮充壓管結(jié)構(gòu)方案

可伸縮充壓管方案如圖1所示，單個(gè)充壓管組成包括橡膠管芯、鋁合金內(nèi)/外套管、管口閥芯等。多個(gè)充壓管可以通過閥芯與連接器相連，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)和串聯(lián)分布。

圖1 可伸縮充壓管結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)膠管內(nèi)增壓后，由于鋁合金套管限制了膠管的徑向膨脹，膠管只能沿著軸向變形，帶動(dòng)鋁合金套管滑動(dòng)變形，使得整個(gè)充壓管產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形。為了實(shí)現(xiàn)雙向驅(qū)動(dòng)變形，可以在膠管內(nèi)預(yù)先充有一定的油壓，使得管長(zhǎng)由自然長(zhǎng)度達(dá)到工作初始長(zhǎng)度，在工作初始長(zhǎng)度下，通過加壓或減壓可以實(shí)現(xiàn)充壓管雙向約10%的變形量。

2 充壓管等效剛度模型及分析

2.1 等效剛度模型

對(duì)可伸縮充壓管進(jìn)行建模，如圖2所示，包括液柱、膠管壁和剛性套管壁3層。主要參數(shù)包括油液有效體積模量βe，套管壁厚ts，膠管的拉伸模量Et、壓縮模量Ec，泊松比ν。在自然狀態(tài)下膠管長(zhǎng)L0，壁厚t0，內(nèi)徑為d0。

圖2 可伸縮充壓管模型及參數(shù)

充壓管在工作狀態(tài)下，管內(nèi)壓力為p，套管端部受到支反力F作用，結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)。此時(shí)膠管的長(zhǎng)度增加至L，壁厚為t，內(nèi)徑為d。由于套管的徑向約束，幾何參數(shù)滿足d+ 2t=d0+ 2t0。

2.2 等效剛度推導(dǎo)

在圖3所示的平衡狀態(tài)下，假設(shè)充壓管端套沿軸向受到較小的壓力增量ΔF，使得管長(zhǎng)減小ΔL，油液壓力增加Δp，如圖3所示，則充壓管的等效抗壓剛度可以表示為Kc=ΔF/ΔL。通過取隔離體分析，對(duì)等效抗壓剛度進(jìn)行推導(dǎo)。

圖3 可伸縮充壓管等效抗壓剛度分析

對(duì)于充壓管，不考慮套管與膠管之間的摩擦，外力增量引起的平衡條件滿足：

(1)

對(duì)于膠管內(nèi)液柱，壓力增加Δp，體積增加ΔV，與有效體積模量βe滿足：

(2)

式中，V為封閉油液的體積，滿足V≈Lπd2/4。

在Δp作用下，膠管壁產(chǎn)生變形，其中側(cè)壁厚度減小Δt1，端壁厚度減小Δt2，則：

(3)

將式(3)代入式(2)得：

(4)

對(duì)于膠管的端壁，其厚度變化Δt2與壓力增量Δp滿足：

(5)

對(duì)于膠管的側(cè)壁，取微元體，在Δp作用下，其應(yīng)力增量滿足平衡：

(6)

式中：軸向應(yīng)變?cè)隽喀う舕=ΔL/L；徑向應(yīng)變?cè)隽喀う襯=Δp，Δεr=Δt1/t；膠管環(huán)向應(yīng)變?cè)隽喀う纽取?，代入式(6)得：

(7)

將式(5)和式(7)代入式(4)得：

(8)

將式(8)代入式(1)，再根據(jù)充壓管等效抗壓剛度的定義得到：

充壓管在工作狀態(tài)下油壓一般在2～8 MPa范圍內(nèi)，在該壓力下，橡膠壓縮模量Ec與βe相比不能忽略，且二者都比Et大很多，因此等效抗壓剛度可以簡(jiǎn)化為：

(9)

對(duì)于油液有效體積模量βe，文獻(xiàn)[10]給出了某航空常用液壓油在常溫、2%含氣量下，βe與油壓p的試驗(yàn)擬合曲線，滿足：

βe=f(p)=0.43p3-18.6p2+268.6p-10

代入式(9)可得Kc和p的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 充壓管等效抗壓剛度隨油壓變化關(guān)系

在不考慮膠管層時(shí)，即液壓油直接與剛性器壁接觸，充壓管的等效抗壓剛度主要由油液的βe決定；而考慮膠管壁的影響后，等效抗壓剛度發(fā)生了明顯的折減。

3 充壓管在自適應(yīng)機(jī)翼中的應(yīng)用分析

3.1 某自適應(yīng)機(jī)翼構(gòu)型

圖5給出了一種自適應(yīng)機(jī)翼構(gòu)型方案，由單塊式機(jī)翼盒段和自適應(yīng)后緣組成，利用后緣的光順變形，可以調(diào)節(jié)翼型彎度。

在自適應(yīng)后緣內(nèi)部塞滿輕質(zhì)、可變形的填充物，將可伸縮充壓管埋入填充物上下表面，兩端與縱筋相連，沿著展向形成陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)后緣的分布式驅(qū)動(dòng)。

圖5 某自適應(yīng)機(jī)翼構(gòu)型方案

充壓管采用彈簧單元建模，彈性系數(shù)與壓力有關(guān)，仿真分析時(shí)，在驅(qū)動(dòng)后緣變形時(shí)，油路打開，此時(shí)充壓管不能當(dāng)作結(jié)構(gòu)件，彈簧單元不被激活；當(dāng)變形到目標(biāo)位置后，油路關(guān)閉，此時(shí)充壓管可以當(dāng)作承壓結(jié)構(gòu)件，彈簧單元激活。計(jì)算出管內(nèi)壓力，由式(9)可得充壓管的彈性系數(shù)。

3.2 自適應(yīng)后緣振動(dòng)變形分析

擾動(dòng)載荷作用1.5 s后釋放，結(jié)構(gòu)阻尼取為0.03。圖6為機(jī)翼后緣驅(qū)動(dòng)到目標(biāo)位置偏轉(zhuǎn)15°時(shí)，在擾動(dòng)載荷下后緣末端的振動(dòng)變形，分別考慮了不加充壓管和加入充壓管2種情況。若不考慮充壓管剛度，后緣末端將在平衡位置產(chǎn)生上下約4°偏轉(zhuǎn)角變化；而引入充壓管剛度后，后緣的抖動(dòng)角度控制在0.6°以內(nèi)，起到了良好的抗擾動(dòng)變形作用。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種可伸縮充壓管驅(qū)動(dòng)器，具有重量輕、驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)位移大等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可變形結(jié)構(gòu)的分布式驅(qū)動(dòng)。

針對(duì)可伸縮充壓管的“驅(qū)動(dòng)件即結(jié)構(gòu)件”特點(diǎn)，通過建模分析推導(dǎo)了充壓管抗壓剛度的工程簡(jiǎn)化公式。

將可伸縮充壓管驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于自適應(yīng)機(jī)翼后緣上，滿足結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)需求，并能有效提高后緣抵抗擾動(dòng)載荷的能力。

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張 平(1985-)，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)橹悄苊善ぴO(shè)計(jì)、復(fù)合材料力學(xué)。

Study on a Pressurized Telescopic Tube Actuator and Its Application

ZHANG Ping1,2

(1.The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,Chia； 2.NationalIndustrialDesignCenter,Hefei230088,China)

Adaptive technology is considered as one effective approach to enhance the endurance ability of sensor-craft, and the drivers are the basic system to keep adaptive structures working. In this paper, a kind of pressurized telescopic tube actuator which is capable of both driving and bearing is proposed. The mechanical model of the telescopic tube is established and then its simplified formula of equivalent stiffness is derived. Finally the telescopic tube actuator is applied to an adaptive wing and the vibration deformation of wing under airflow disturbance is simulated. Results show that the pressurized telescopic tube actuator is capable of producing enough driving force and displacement, also providing effective structure stiffness for adaptive structures.

sensor-craft; adaptive technology; pressurized telescopic tube

2016-10-10

V224

A

1008-5300(2016)06-0048-04