變體飛行器的折轉(zhuǎn)翼尖設(shè)計(jì)及分析

陳小雨，楊 睿，李 揚(yáng)，池鴻剛(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

變體飛行器可以根據(jù)不同的飛行任務(wù)和飛行環(huán)境改變自身形狀，以獲得最佳的氣動(dòng)性能，已經(jīng)成為未來先進(jìn)飛行器的重要特征和發(fā)展方向之一[1]。而折轉(zhuǎn)翼尖能極大地提高飛行器的性能，在起飛前將翼尖折轉(zhuǎn)一定的角度，能提高其起飛時(shí)的穩(wěn)定性，并節(jié)省跑道的空間；巡航時(shí)折轉(zhuǎn)回水平位置，增大了機(jī)翼的展弦比，提高升阻比，增大航程。

目前，關(guān)于折轉(zhuǎn)翼尖的變形方案主要為兩種：一種是基于轉(zhuǎn)軸類型的設(shè)計(jì)(折疊翼)，Bourdin[2]等人提出了一種以伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)器，借助連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變形的方案；另一種是基于柔性變形段的設(shè)計(jì)，李偉[3]提出了一種由柔性翼梁和形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)器組合的變形方案。折轉(zhuǎn)翼尖除了能夠變形之外，還應(yīng)能夠承受一定的載荷，可變形的桁架結(jié)構(gòu)是一個(gè)很好的方案，Inoyama[4]等人提出了一種由框架、驅(qū)動(dòng)器和關(guān)節(jié)組合的變形結(jié)構(gòu)。

本文提出一種折轉(zhuǎn)翼尖的設(shè)計(jì)方案，模型由驅(qū)動(dòng)器、翼肋、鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)、硅橡膠蒙皮組成，能快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)折轉(zhuǎn)變形運(yùn)動(dòng)。其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能承受一定的外界載荷，并具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。對模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造，并進(jìn)行向上偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性。針對蒙皮與翼肋出現(xiàn)的脫離問題，提出一種改進(jìn)方案，通過有限元分析驗(yàn)證方案的可行性。

1 折轉(zhuǎn)翼尖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的變機(jī)翼翼尖模型由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和硅橡膠蒙皮組成，如圖1所示。微型直線伺服驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供推拉力，由鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，借助驅(qū)動(dòng)器的推力，帶動(dòng)翼肋繞鉸鏈向上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的折轉(zhuǎn)變形，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)恢復(fù)到初始水平位置狀態(tài)，主要通過驅(qū)動(dòng)器提供的拉力來實(shí)現(xiàn)，為其向上折轉(zhuǎn)變形的逆過程。硅橡膠蒙皮固定在翼肋上，跟隨驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行折轉(zhuǎn)變形，最終實(shí)現(xiàn)翼尖模型向上的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖1 變機(jī)翼翼尖模型

圖2 模型的機(jī)構(gòu)簡圖

本模型預(yù)設(shè)的變形參數(shù)為向上折轉(zhuǎn)45°，運(yùn)用軟件導(dǎo)出NACA0013的翼肋輪廓，機(jī)翼弦長設(shè)定為400 mm。根據(jù)變形參數(shù)和翼肋的尺寸參數(shù)，運(yùn)用公式進(jìn)行計(jì)算：連桿上鉸接孔的距離為91 mm、斜桿上鉸接孔的距離為100 mm、連桿與驅(qū)動(dòng)器的垂直間距為41 mm、驅(qū)動(dòng)器的行程為30 mm。在翼肋之間沿弦向安裝2組驅(qū)動(dòng)器和鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)，并在基座鉸接孔上安裝微型軸承，硅橡膠蒙皮的厚度為1 mm，翼尖模型的展長為135 mm。對翼尖模型進(jìn)行參數(shù)化建模，為后續(xù)模型的加工與有限元分析提供三維數(shù)模。

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1 機(jī)翼翼尖模型的組裝

購買鋁型材、微型軸承、賽打螺絲釘、硅橡膠皮，鋁型材的型號(hào)為3030，利用螺栓、T型螺母、墊片、角件對鋁型材進(jìn)行組裝，作為整體模型的機(jī)架；微型軸承的型號(hào)為608ZZ，尺寸為3 mm*6 mm*2.5 mm，將其安裝到基座孔中，用于連接圓柱銷與基座，實(shí)現(xiàn)連桿、斜桿與基座的鉸接；賽打螺絲釘?shù)牟牧蠟?04不銹鋼，尺寸為5*14*M4，用于連接翼肋與基座，其有一段14 mm的光軸，不僅能夠?qū)⒒c翼肋固定，而且具有定位銷的功能；硅橡膠皮的尺寸為850 mm*135 mm*1 mm，將其固定到翼肋上。

模型具有自鎖能力，其主要通過微型直線伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，微型直線伺服驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為LA30-022D，其最大推拉力為70 N、行程為30 mm、最大自鎖力為100 N。模型中需要安裝2個(gè)驅(qū)動(dòng)器，并且需要實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，借助搖桿控制器可實(shí)現(xiàn)對其的控制，控制器的型號(hào)為AEC-LA-B1-02。搖桿控制器需要連接一個(gè)電源適配器，對其進(jìn)行供電，電源適配器的型號(hào)為8.5V5A-AEA-LA-1-11。按照模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的位置關(guān)系，對模型進(jìn)行裝配，其外形如圖3所示。

圖3 機(jī)翼翼尖模型外形圖

2.2 變形實(shí)驗(yàn)測試

給模型的驅(qū)動(dòng)器和搖桿控制器進(jìn)行供電，通過搖桿控制器控制模型實(shí)現(xiàn)向上的折轉(zhuǎn)變形，模型變形后的位姿如圖4所示。模型蒙皮上表面受壓，靠近翼肋處蒙皮出現(xiàn)了向下的凹陷狀態(tài)；蒙皮下表面受拉，其拉伸的長度為驅(qū)動(dòng)器的行程。

圖4 機(jī)翼翼尖模型折轉(zhuǎn)變形 圖5 機(jī)翼翼尖模型變形仰視圖

模型變形后的仰視圖如圖5所示。從圖中可以看出，蒙皮下表面與翼肋發(fā)生了脫離，這是由于蒙皮下表面在模型折轉(zhuǎn)變形的過程中受到了很大的拉力、連接釘?shù)拈g距較大等因素造成的，可通過增加連接釘?shù)臄?shù)量來解決脫離問題。

3 折轉(zhuǎn)翼尖有限元分析

3.1 有限元模型的建立與參數(shù)設(shè)置

對機(jī)翼翼尖模型折轉(zhuǎn)變形的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析，觀察其變形后蒙皮上表面的位移變化以及蒙皮下表面與翼肋的連接狀態(tài)，與變形實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證有限元模型是否準(zhǔn)確。

圖6 機(jī)翼翼尖有限元模型

由于翼肋之間2組驅(qū)動(dòng)器和鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程完全一致，為了簡化計(jì)算的過程和節(jié)省有限元計(jì)算的時(shí)間，在有限元分析時(shí)只保留一組機(jī)構(gòu)。將模型導(dǎo)入到ABAQUS中，然后按照三維數(shù)模的位置關(guān)系進(jìn)行裝配，如圖6。翼肋的材料為鋁，其彈性模量為69 GPa，泊松比為0.3，密度為2.7 g/cm3；基座、連桿、斜桿的材料為鋼，其彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.85 g/cm3；蒙皮的材料為硅橡膠，查閱資料可得C10為0.3877，C01為-0.09017[5]，密度為1.4 g/cm3。

有限元分析的分析步采用隱式動(dòng)力學(xué)分析，與顯式動(dòng)力學(xué)分析相比，其計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。硅橡膠蒙皮在跟隨驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)折轉(zhuǎn)變形過程中會(huì)產(chǎn)生大變形，因此將非線性分析的開關(guān)打開，并將分析步的時(shí)間設(shè)定為1?；c翼肋之間、蒙皮內(nèi)表面與翼肋表面之間均采用Tie接觸形式來模擬固定。連桿與基座之間的連接、斜桿與基座之間的連接均為轉(zhuǎn)動(dòng)副，采用Connector中Hinge來模擬它們之間的鉸接。以連桿與基座之間的鉸接為例，介紹具體的設(shè)置過程：1)在基座孔處創(chuàng)建參考點(diǎn)1，連桿孔處創(chuàng)建參考點(diǎn)2；2)在基座孔處建立局部坐標(biāo)系，坐標(biāo)系X軸方向?yàn)榭椎妮S向法線方向，其他兩個(gè)方向任意即可；3)在參考點(diǎn)1和參考點(diǎn)2之間建立特征線；4)創(chuàng)建連接器截面，在連接器類型中選擇Hinge；5)選擇創(chuàng)建的特征線，將連接器截面賦給特征線并在設(shè)置中選擇局部坐標(biāo)系來完成連接器的創(chuàng)建；6)參考點(diǎn)1與基座孔之間、參考點(diǎn)2與連桿孔之間采用Coupling接觸形式來完成參考點(diǎn)與零件之間的連接。同理，驅(qū)動(dòng)器與基座之間的鉸接也按照上述過程進(jìn)行設(shè)置，驅(qū)動(dòng)器中的推桿是具有一定行程的移動(dòng)副，采用Connector中Translator來模擬推桿在驅(qū)動(dòng)器中的移動(dòng)。

蒙皮的材料為硅橡膠，相比于金屬材料，橡膠材料的材料模量很小、變形驅(qū)動(dòng)力小，因此其本身的剛度也較小。而驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)向上折轉(zhuǎn)的角度較大，蒙皮在折轉(zhuǎn)變形的過程中，蒙皮的上表面會(huì)出現(xiàn)凹陷狀態(tài)，與連桿發(fā)生貫穿現(xiàn)象；蒙皮的下表面會(huì)出現(xiàn)往右上方的拉伸狀態(tài)，與驅(qū)動(dòng)器的左基座發(fā)生貫穿現(xiàn)象。在實(shí)際條件下，連桿與基座對蒙皮會(huì)有支撐作用，不會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象，因此需要在有限元分析中對其接觸進(jìn)行設(shè)置。連桿、連桿左基座、斜桿左基座與上蒙皮之間，驅(qū)動(dòng)器左基座與下蒙皮之間均采用Contact中Normal Behavior接觸關(guān)系來消除貫穿現(xiàn)象。

將模型左端固支，采用連接器位移邊界條件對上文的Translator進(jìn)行設(shè)置，將U1設(shè)置成30。翼肋、基座、連桿、斜桿的單元類型為C3D8R，蒙皮的單元類型為S4R。

3.2 仿真結(jié)果分析

通過計(jì)算求得模型變形后的位移云圖，如圖7所示。從圖7可以看出，模型的蒙皮沒有發(fā)生貫穿現(xiàn)象，模型實(shí)現(xiàn)了向上偏轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。蒙皮上表面在變形后沿X方向的間距變小，而在靠近翼肋處沿Z方向上出現(xiàn)了向下的凹陷狀態(tài)，這證明了硅橡膠是一種不可壓縮材料。

圖7 模型變形后的位移云圖(主視圖)

為了更好地觀察硅橡膠蒙皮與翼肋的連接情況，提取模型變形后的仰視圖，如圖8所示。從圖中可以看出，蒙皮下表面在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)推力作用下變形量較大，其伸長量為驅(qū)動(dòng)器的行程，導(dǎo)致蒙皮與翼肋出現(xiàn)了脫離狀態(tài)。相較于翼肋的其他位置，驅(qū)動(dòng)器安裝位置處的蒙皮脫離現(xiàn)象會(huì)更加明顯，有限元模型出現(xiàn)了與實(shí)體模型一樣的脫離現(xiàn)象；測量的變形角度為44.9°，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度基本一致，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

圖8 模型變形后的位移云圖(仰視圖)

3.3 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

針對蒙皮下表面與翼肋出現(xiàn)的脫離問題，通過分析產(chǎn)生的原因，主要是蒙皮與翼肋綁定位置的間距過大，導(dǎo)致翼肋的拉力只是通過集中的幾個(gè)位置傳遞給蒙皮，其他未綁定位置的蒙皮就會(huì)產(chǎn)生脫離狀態(tài)。而理想的狀態(tài)是翼肋的拉力能夠均勻、分散的傳遞給下蒙皮，帶動(dòng)蒙皮實(shí)現(xiàn)拉伸變形。

增加蒙皮與翼肋的綁定位置可以有效地解決出現(xiàn)的脫離問題，蒙皮上表面未出現(xiàn)明顯的分離狀態(tài)，無需增加綁定的位置；驅(qū)動(dòng)器安裝位置出現(xiàn)的分離狀態(tài)較明顯，因此增加的綁定位置也較多。

通過有限元分析的方式，按照上述規(guī)律在蒙皮下表面增加綁定位置，其他設(shè)置與上文保持一致，其仿真結(jié)果如圖9所示。對圖8和圖9進(jìn)行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)蒙皮下表面與翼肋出現(xiàn)的脫離狀態(tài)得到了明顯的改善，但模型向上偏轉(zhuǎn)的位移略有下降，降低了0.5%，可忽略不計(jì)。對模型的變形角度進(jìn)行測量，其折轉(zhuǎn)角度為44.6°，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度基本一致。

圖9 模型的位移云圖(增加連接釘)

在變形角度不變的條件下，減小模型的應(yīng)力，能夠有效地降低驅(qū)動(dòng)力，增加結(jié)構(gòu)的承載能力。減小蒙皮厚度可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的降低，通過有限元分析的方式分別對蒙皮厚度為0.5 mm和1 mm的模型進(jìn)行仿真分析，有限元模型的參數(shù)設(shè)置與上文增加綁定的模型一致，其仿真結(jié)果如圖10所示。從仿真結(jié)果可以看出，模型的應(yīng)力得到了有效的降低，降低了40.9%，極大地增加了模型的承載能力。

圖10 模型的應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

1)本文設(shè)計(jì)的變機(jī)翼翼尖模型能夠快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)向上的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其向上變形的角度為45°，并具有自鎖能力。模型表面的連續(xù)性較好，有利于解決變體機(jī)翼氣密性差的問題。

2)通過有限元分析的方式有效地解決了硅橡膠蒙皮與翼肋連接的脫離問題，并將模型的應(yīng)力降低了40.9%，增加了整體結(jié)構(gòu)的承載能力。