基于柔順機(jī)構(gòu)的新型可變形機(jī)翼設(shè)計(jì)方法研究

李 政, 麻越垠, 聶旭濤, 梁 珂 ，程 潛

(1.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院, 西安 710072;2.國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410073;3.空天任務(wù)智能規(guī)劃與仿真湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410073;4.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，綿陽 621000)

0 引言

中國正在研發(fā)跨空域、跨速域的跨域智能飛行器，這是航空航天領(lǐng)域最具顛覆性和變革性的戰(zhàn)略發(fā)展方向。其中，能夠?qū)崿F(xiàn)光滑、連續(xù)變形的變體機(jī)翼是智能飛行器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵核心技術(shù)[1]。目前，飛行器機(jī)翼采用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)多工況下性能提升，但設(shè)計(jì)結(jié)果往往是多工況下性能的折中與權(quán)衡[2]。而可變形機(jī)翼具備變高度、變厚度、變長度以及剖面扭轉(zhuǎn)等能力，可根據(jù)不同飛行狀態(tài)調(diào)整機(jī)翼形狀，從而獲得理想氣動(dòng)特性[3-4]。

柔順機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)翼型表面光滑變形的驅(qū)動(dòng)裝置[5]。不同于傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)通過運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件連接實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和功能，柔順機(jī)構(gòu)主要靠柔性單元的變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、力和能量的傳遞和轉(zhuǎn)換。柔順機(jī)構(gòu)有諸多優(yōu)點(diǎn)：精度高、質(zhì)量小、摩擦小、零件少、易于加工和便于小型化等。美國空軍實(shí)驗(yàn)室的Kota等[6]利用柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并制造了可彎度前緣柔性機(jī)翼，升阻比提高了51%，升力系數(shù)提高了25%。Monner等[7]受到A380內(nèi)部的傳統(tǒng)下垂前緣的啟發(fā)，提出了柔順機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的智能無縫前緣裝置，并采用玻璃纖維材料，利用不同的鋪層實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼前緣的“定制剛度分布”。之后，Kintscher等[8]提出了前緣下垂柔順機(jī)構(gòu)的參數(shù)化有限元建模方法，并且進(jìn)行了全尺寸智能前緣結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。Di Matteo等[9]采用鋁制蒙皮，以曲線梁為柔順驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，鋁蒙皮的前緣可以達(dá)到所需的偏轉(zhuǎn)形狀，其應(yīng)力應(yīng)變也不超出材料最大許用值。Monner[10]提出了手指型柔順機(jī)構(gòu)變形設(shè)計(jì)概念，使機(jī)翼彎度不僅可以沿弦向變化，還能沿展向差動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的自適應(yīng)扭轉(zhuǎn)。Austin等[11]設(shè)計(jì)了一種基于桁架柔順機(jī)構(gòu)的變厚度機(jī)翼，通過操控柔性結(jié)構(gòu)的靜力變形，實(shí)現(xiàn)翼型重構(gòu)。

當(dāng)前采用柔順機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的機(jī)翼變形大都是整體變彎度或變厚度，對(duì)機(jī)翼前緣由鈍變尖的情形鮮有報(bào)導(dǎo)。常規(guī)機(jī)翼通常采用“鈍”前緣設(shè)計(jì)，而尖前緣主要應(yīng)用于超聲速飛行器，目的是獲得較高的升阻比。為此，本文針對(duì)變體機(jī)翼的實(shí)際工程變形需求，探索可實(shí)現(xiàn)前緣銳化大變形過程的柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在達(dá)到變形控制要求的前提下滿足強(qiáng)度約束并實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

1 可變形機(jī)翼設(shè)計(jì)對(duì)象與目標(biāo)

機(jī)翼弦長500 mm，翼寬300 mm，翼型為上下對(duì)稱，選擇前緣弦長250 mm為設(shè)計(jì)空間，變形后的目標(biāo)翼型為向內(nèi)收縮，初始翼型和目標(biāo)翼型如圖1所示，變形后弧形前緣變成尖形。

圖1 初始翼型和目標(biāo)翼型Fig.1 Initial airfoil and target airfoil

目標(biāo)翼型在前緣處的初始形狀為兩條不相交的線，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行微調(diào)，在上下翼型面分別制作R=10的圓角，如圖1所示，右圖中橘紅色的虛線表示理想狀態(tài)下的初始目標(biāo)翼型，綠色實(shí)線為調(diào)整后的目標(biāo)翼型曲線。開展能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期翼型變形的柔順機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，柔順機(jī)構(gòu)和翼型材料均為鋁合金，采用2系或7系。最終的設(shè)計(jì)方案需滿足以下指標(biāo)：

1)翼型外表面承受100 Pa恒定壓力載荷，載荷在變形過程中也持續(xù)存在；

2)擬采用直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

3)變形過程中，最大應(yīng)力≤0.8×σs，σs為材料的屈服強(qiáng)度；

4)三維翼型成型精度δ≤4 mm，δ為成型曲線弦向任意一點(diǎn)與目標(biāo)曲線縱坐標(biāo)差值。

2 設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

本文采用ABAQUS有限元分析軟件開展幾何模型及有限元模型的建模和計(jì)算。初步建立的三維機(jī)翼模型(沿弦向?qū)ΨQ取一半機(jī)翼)如圖2所示，機(jī)翼展長為300 mm，機(jī)翼弦長500 mm，沿弦向距前緣210 mm以內(nèi)區(qū)域采用雙排魚骨型鋼架來驅(qū)動(dòng)前緣蒙皮變形，弦向其余部分的蒙皮變形由四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。整個(gè)模型使用的材料全部為7系列鋁合金7075。彈性模量70 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度455 MPa。許用應(yīng)力=屈服強(qiáng)度×0.8=364 MPa。鋼架采用2 mm×2 mm 的矩形截面，蒙皮厚度為1 mm。下面介紹各個(gè)部位的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。

圖2 變形機(jī)翼三視圖Fig.2 There views of the deformable wing

2.1 控制前緣蒙皮變形的雙排魚骨型鋼架設(shè)計(jì)

如圖3所示，雙排魚骨型鋼架下側(cè)連在主梁上，上端與前緣部位的蒙皮連接。當(dāng)主梁向后運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)引起鋼架變形，進(jìn)而帶動(dòng)前緣蒙皮彎曲，實(shí)現(xiàn)前緣向內(nèi)收縮變尖。通過改變雙排魚骨型鋼架的剛度(截面積)及鋼架與前緣蒙皮的連接位置，可以調(diào)制蒙皮的變形形態(tài)。為此需采用ABAQUS有限元分析軟件開展一系列參數(shù)分析，得到滿足圖1變形要求的鋼架幾何參數(shù)及連接位置。此外還需注意，鋼架與機(jī)翼結(jié)構(gòu)(蒙皮和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))的連接處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)中需要有效控制這些部位的應(yīng)力水平。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，接頭部位最佳的受力狀態(tài)為只傳遞力，盡可能少地傳遞力矩。依據(jù)力學(xué)仿真結(jié)果，接頭彎曲剛度適宜的取值范圍為700 (N·mm)/rad以內(nèi)。為此，對(duì)接頭采用柔性連接建模，得到如圖3所示的雙排魚骨型鋼架方案。經(jīng)驗(yàn)證，主梁按設(shè)計(jì)要求沿弦向向后運(yùn)動(dòng)18 mm時(shí)，該方案可以滿足前緣部位蒙皮的變形要求，又能將最大應(yīng)力控制在許用值以下。

圖3 魚骨型鋼架Fig.3 Fishbone steel frame

圖4 前緣尖端開口處蒙皮Fig.4 Skin at leading edge opening

圖5 前緣尖端開口處蒙皮的回收過程Fig.5 The recovery process of the skin at the leading-edge opening

2.2 機(jī)翼前緣尖端的開口設(shè)計(jì)

通過比較圖1中變形前和變形后的翼型幾何外形曲線可知，為從幾何上保證變形前后的形狀協(xié)調(diào)，需要對(duì)機(jī)翼前緣尖端進(jìn)行開口處理。為此，將開口處蒙皮分割出來并焊接在驅(qū)動(dòng)梁前端(圖4)，在翼型前緣向內(nèi)收縮變形的過程中跟隨驅(qū)動(dòng)梁收放到機(jī)翼內(nèi)部(圖5)。初始未變形翼型狀態(tài)下，在開口處蒙皮上端設(shè)計(jì)一個(gè)傾斜的平板(圖4)，與后側(cè)蒙皮的斜面平板形成接觸閉合來保持前緣部位蒙皮的完整性。

若僅從前緣變形前后的幾何協(xié)調(diào)方面出發(fā)，合理的前緣尖端開口尺寸應(yīng)該為25 mm。但若要保證前緣蒙皮的變形要求，采用有限元分析得到前緣尖端開口的尺寸應(yīng)該大于25 mm。但變形后的翼型前緣變尖，高度空間較低，無法存放大尺寸的前緣尖端開口蒙皮。為此，基于大量的結(jié)構(gòu)變尺寸參數(shù)有限元計(jì)算，權(quán)衡變形要求與變形協(xié)調(diào)條件，開口尺寸的最終取值為23.4 mm。經(jīng)過動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果測(cè)試，驅(qū)動(dòng)梁需要在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿弦向向后運(yùn)動(dòng)至少78 mm，這樣才能保證前緣尖端開口處蒙皮能恰好被收納在變形后的機(jī)翼當(dāng)中(圖5)，不會(huì)出現(xiàn)與上下蒙皮碰撞干涉的情況。

2.3 “撞塊”機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過上述分析可知，整個(gè)機(jī)翼的變形過程由兩種運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式來完成。其中，機(jī)翼弦向中間部位的蒙皮變形通過四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來操縱帶動(dòng)(圖6)，而前緣部位的蒙皮變形由魚骨型鋼架結(jié)構(gòu)來控制(圖3)。為了保證機(jī)翼弦向中間部位的蒙皮變形達(dá)到要求，驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的主梁需要沿弦向向后移動(dòng)18 mm。然而，在開口設(shè)計(jì)中得到的結(jié)論是，為保證前緣尖端開口處蒙皮能恰好被收納在變形后的機(jī)翼當(dāng)中(圖5)，驅(qū)動(dòng)梁需要在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿弦向向后運(yùn)動(dòng)至少78 mm。如此一來，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所要的主梁和驅(qū)動(dòng)梁沿弦向的驅(qū)動(dòng)行程不一致，且存在較大差異。由于二者采用同一單電機(jī)驅(qū)動(dòng)且運(yùn)動(dòng)路線重合，故而需要解決驅(qū)動(dòng)行程不一致的問題。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)“撞塊”機(jī)構(gòu)(圖7)，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)行程進(jìn)行拆解，在共用一個(gè)電機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)兩種不一致的驅(qū)動(dòng)行程。如圖7所示，電機(jī)僅與驅(qū)動(dòng)梁連接，驅(qū)動(dòng)梁和主梁的撞塊之間預(yù)先空出59 mm的間隔作為運(yùn)動(dòng)緩沖。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)梁先沿弦向向后運(yùn)動(dòng)(主梁不動(dòng))，運(yùn)動(dòng)59 mm 后驅(qū)動(dòng)梁撞塊和主梁撞塊碰撞接觸，驅(qū)動(dòng)梁帶動(dòng)主梁共同沿弦向向后運(yùn)動(dòng)18 mm。這樣一來，驅(qū)動(dòng)梁的完整行程為78 mm，滿足前緣尖端開口處蒙皮收回需求，同時(shí)主梁行程為18 mm，也滿足了前緣蒙皮的變形要求。

圖6 四連桿機(jī)構(gòu)Fig.6 Four-bar linkage

圖7 “撞塊”機(jī)構(gòu)Fig.7 ″Collision″ mechanism

2.4 方案仿真驗(yàn)證

對(duì)上述基于柔順機(jī)構(gòu)的可變形機(jī)翼設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元仿真驗(yàn)證，獲得變形機(jī)翼的變形過程如圖8所示，變形后的機(jī)翼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖9所示，計(jì)算結(jié)果顯示整個(gè)模型中最大應(yīng)力是305 MPa，位于前段的鋼架上，最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，滿足應(yīng)力要求。在評(píng)估變形誤差時(shí)，因機(jī)翼沿展向有一定長度，沿展向各翼型剖面的變形會(huì)略有差異，為此，分別選取沿展向中面的翼型和最邊緣處的翼型剖面，提取它們變形后的形狀與目標(biāo)翼型形狀進(jìn)行比較，如圖10所示?？梢?，翼型剖面變形后的誤差在4 mm以內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變形要求。變形最大誤差位于前緣尖端部位，主要原因有兩個(gè)，一是使開口處蒙皮可以回收至變形后的機(jī)翼內(nèi)，將前端開口設(shè)計(jì)的高度略小，不利于前緣尖端的蒙皮變尖；二是避免開口處蒙皮在回收過程中與鋼架發(fā)生碰撞干涉，無法在前端誤差較大處再添加一根鋼架梁來對(duì)前緣變形進(jìn)行修正。

圖8 變形機(jī)翼的變形過程Fig.8 Deformation process of deformable wing

圖9 變形機(jī)翼應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of deformable wing

圖10 變形后的機(jī)翼和目標(biāo)翼型的比較Fig.10 Comparison of deformable wing and target airfoil

最后，統(tǒng)計(jì)了設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量特性。針對(duì)由鈍變尖這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，完全由液壓機(jī)構(gòu)操縱變形的機(jī)翼模型，其總質(zhì)量為9 270 g。本文提出的由魚骨型鋼架和四連桿機(jī)構(gòu)的聯(lián)合操縱變形的機(jī)翼模型，經(jīng)統(tǒng)計(jì)其總質(zhì)量為7 961 g，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小了14.1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文基于有限元建模仿真方法在機(jī)翼內(nèi)部設(shè)計(jì)了一種新型的柔順機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)翼前緣部位由鈍變尖的大變形形變?cè)O(shè)計(jì)目標(biāo)，該設(shè)計(jì)方法可以減少設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率。本文設(shè)計(jì)的柔順機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)機(jī)翼精準(zhǔn)變形，翼型剖面最大誤差小于4 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。變形過程中，變形機(jī)翼應(yīng)力均滿足許用應(yīng)力要求。相較于傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)的剛性機(jī)械裝置，本文設(shè)計(jì)的柔順機(jī)構(gòu)具有輕量化、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

后續(xù)研究工作將進(jìn)行機(jī)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步探討更優(yōu)的機(jī)構(gòu)方案。