基于雙層彈性連接的氣動變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：變彎度機(jī)翼是未來先進(jìn)飛行器的重點(diǎn)研究方向之一，機(jī)翼結(jié)構(gòu)剛度和彎曲變形能力之間存在的固有矛盾是變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種新型的結(jié)構(gòu)與功能一體化變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)?；谧匀唤缰泻卟莸母行赃\(yùn)動機(jī)理，一方面在變彎度翼肋的彈性變形區(qū)布置雙層陣列M型彈性連接件，以兼容結(jié)構(gòu)剛度和柔性變形的要求； 另一方面在翼肋內(nèi)嵌氣動肌肉，滿足翼型變形驅(qū)動的同時(shí)，維持整體翼型結(jié)構(gòu)剛度。通過原理樣機(jī)的仿真分析與實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明該變彎度機(jī)翼設(shè)計(jì)可滿足實(shí)現(xiàn)向上13.5°以及向下9.5°的弦向彎度變化效果，從而驗(yàn)證了該變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：變彎度機(jī)翼； 彈性連接； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 氣動驅(qū)動； 結(jié)構(gòu)與功能一體化

中圖分類號：TJ760； V224

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

文章編號：1673-5048（2023）05-0079-07

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0044

0 引" 言

航空技術(shù)快速發(fā)展，對飛行器提出了多用途、自適應(yīng)的要求。傳統(tǒng)的固定翼飛行器在復(fù)雜多變的飛行環(huán)境中絕大多數(shù)時(shí)刻的氣動外形都處于非最優(yōu)狀態(tài)，仍存在著巨大的改進(jìn)空間。變彎度機(jī)翼可以通過改變自身外形來適應(yīng)復(fù)雜多變的飛行環(huán)境，為飛行器提供更優(yōu)的氣動性能、更低的燃油消耗和更高的機(jī)動性能。然而，變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要兼顧機(jī)翼的強(qiáng)度、剛度要求和變彎度能力，面臨新的挑戰(zhàn)［1］。

變彎度機(jī)翼根據(jù)其變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異大致可以分為機(jī)械鉸鏈結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)兩類。機(jī)械鉸鏈結(jié)構(gòu)的變彎度機(jī)翼技術(shù)相對成熟，有著承載能力良好和控制精度高的優(yōu)勢，但易導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重。復(fù)雜變形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)重量增加， 使得機(jī)翼彎度變化帶來的氣動效益得不償失或收益相對較小，具有代表性的如美國空客A350XWB的鉸鏈?zhǔn)浇笠碓O(shè)計(jì)［2］、歐盟自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中的手指型變彎度方案［3］。機(jī)械鉸鏈結(jié)構(gòu)變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［4-7］帶來的重量問題，制約了變彎度機(jī)翼的工程應(yīng)用。相比較于機(jī)械鉸鏈結(jié)構(gòu)，柔性結(jié)構(gòu)的變彎度機(jī)翼變形原理相對簡單，由驅(qū)動裝置提供彎矩，依靠材料自身的彈性變形能力實(shí)現(xiàn)機(jī)翼彎度變化。因此，現(xiàn)階段對變彎度機(jī)翼的研究從機(jī)械鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向于柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如Elzey等［8］設(shè)計(jì)的一種鏈環(huán)式機(jī)構(gòu)的變彎度機(jī)翼，Woods等［9］提出的一種基于魚骨形柔性翼肋的連續(xù)變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，Brigido等［10］用顆粒泡沫填充的機(jī)翼柔性后緣，Yokozerki等［11-13］提出的瓦楞結(jié)構(gòu)的變彎度后緣，Gramuller等［14］提出的一種壓力驅(qū)動的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)［15-20］設(shè)計(jì)的柔性變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)。上述柔性結(jié)構(gòu)的變彎度機(jī)翼設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)功能上實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼彎度變化，但是變彎度機(jī)翼零部件之間連接薄弱，容易發(fā)生斷裂失效，存在機(jī)翼安全可靠性不足的問題。

1 仿生變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

機(jī)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度與變彎度機(jī)翼變形能力之間存在的固有矛盾是變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題［21］。本文基于植物運(yùn)動仿生機(jī)理，提出了一種雙層彈性連接的柔性變彎度機(jī)翼設(shè)計(jì)方案。該方案中彈性連接件自身的可雙向彎曲特性可有效解決變彎度機(jī)翼零部件連接安全穩(wěn)定性不足的問題，在保證結(jié)構(gòu)零部件連接可靠的條件下產(chǎn)生主動彎度變化。內(nèi)嵌的氣動肌肉為變彎度機(jī)翼提供驅(qū)動力的同時(shí)，也作為機(jī)翼結(jié)構(gòu)中剛性調(diào)節(jié)部件，實(shí)現(xiàn)變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)與功能一體化，可有效提高機(jī)翼結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

1.1 植物運(yùn)動仿生設(shè)計(jì)原理

大自然中的生物在幾百萬年的自然進(jìn)化當(dāng)中不僅完全適應(yīng)自然且接近完美，形成了許多高效率的結(jié)構(gòu)形式［22］，如含羞草、捕蠅草以及向日葵的植物運(yùn)動，通過改變細(xì)胞內(nèi)外液體環(huán)境的滲透壓來實(shí)現(xiàn)，如圖1所示［23-24］。仿生設(shè)計(jì)理念可以讓人們從大自然動植物的功能和機(jī)理中找到設(shè)計(jì)上的解決方案。因此，本文在變彎度機(jī)翼變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，模仿捕蠅草在自然中的功能和機(jī)理，從微小單胞的設(shè)計(jì)到整體機(jī)翼結(jié)構(gòu)裝配，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼彎度變化。

植物運(yùn)動變形機(jī)理如圖2所示，當(dāng)含羞草和捕蠅草的葉片感知突觸受外界刺激后，細(xì)胞膜透性發(fā)生變化并迅速改變了細(xì)胞膜內(nèi)外離子濃度，從而觸發(fā)活動電位發(fā)生波動，進(jìn)而誘發(fā)膨壓運(yùn)動，產(chǎn)生的壓差導(dǎo)致葉片單側(cè)細(xì)胞迅速失水收縮，陣列排布的細(xì)胞膨脹與收縮完成葉片開合運(yùn)動。

通過結(jié)構(gòu)微小單胞的變形疊加實(shí)現(xiàn)宏觀尺度上的結(jié)構(gòu)變形，這種仿生變形機(jī)理在柔性機(jī)械手臂、柔性變彎度機(jī)翼等柔性大變形結(jié)構(gòu)中已有應(yīng)用［15］，如圖3所示。

根據(jù)植物運(yùn)動變形機(jī)理，本文變彎度機(jī)翼的變形段模仿植物微觀陣列排布的方式，由多個(gè)彈性連接件雙層依次連接，有單側(cè)力的作用下彈性連接件發(fā)生變形，陣列排布的彈性連接件位移疊加達(dá)到彎度變化的設(shè)計(jì)要求。

1.2 機(jī)翼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

整體機(jī)翼按縮比模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，全弦長為600 mm，翼型選用上下對稱型機(jī)翼。在大迎角下，對稱翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)均上升，同時(shí)對稱翼型還擁有較大的失速迎角，且失速后翼型的升力系數(shù)依然維持在較高的水平上，因此對稱翼型可獲得較好的失速性能和增升效果［25］。本文設(shè)計(jì)的變彎度機(jī)翼從整體上可分為剛性前緣、彈性變形區(qū)和剛性后緣?？拷鼊傂郧熬壧幑潭ㄖ髁?，彈性變形區(qū)及剛性后緣為可活動部分。彈性變形區(qū)為變彎度機(jī)翼的設(shè)計(jì)區(qū)域，如圖4所示。

基于植物運(yùn)動變形的仿生設(shè)計(jì)原理，在彈性變形區(qū)的設(shè)計(jì)中使用與植物作動機(jī)理相似的結(jié)構(gòu)單元陣列布置方式，但區(qū)別于植物作動機(jī)理，彈性變形區(qū)的設(shè)計(jì)是由結(jié)構(gòu)單元外部的驅(qū)動力驅(qū)動變形。同時(shí)考慮變彎度機(jī)翼翼型的光滑過渡，需要盡可能地將彈性變形區(qū)離散成更多的單元。本文設(shè)計(jì)的變彎度機(jī)翼翼肋離散為7段，由12個(gè)彈性連接件上下兩排布置。彈性連接件的布置可以滿足機(jī)翼變彎度的雙向柔性變形要求。進(jìn)一步考慮驅(qū)動裝置的布置、翼型的維持以及翼肋骨架對蒙皮的支撐問題。將彈性連接件布置于翼肋的中部，且在彈性連接件之間加入蒙皮支撐的結(jié)構(gòu)單元。驅(qū)動裝置是弦向貫穿整個(gè)機(jī)翼的彈性變形區(qū)，將驅(qū)動裝置嵌入蒙皮支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，結(jié)構(gòu)與功能一體化的融合設(shè)計(jì)，充分利用翼肋內(nèi)部空間而無需單獨(dú)為驅(qū)動裝置預(yù)留空間。考慮變彎度機(jī)翼與機(jī)身的安裝問題，本文在靠近剛性前緣的位置預(yù)留了機(jī)翼主梁的安裝位置，整體的變彎度翼肋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

變彎度機(jī)翼的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)機(jī)翼弦向的上下彎曲，其變彎度效果如圖6所示。通過在機(jī)翼表面安裝傳感裝置可實(shí)時(shí)感知機(jī)翼所受氣動力并反饋到驅(qū)動裝置的控制系統(tǒng)，進(jìn)而可以根據(jù)飛行環(huán)境調(diào)整翼型彎度，使飛行器在復(fù)雜多變的飛行環(huán)境中可以始終保持最優(yōu)氣動性能，起到節(jié)省燃料、增大航程的作用，并且可以有效提高飛行器的機(jī)動性。

2 機(jī)翼結(jié)構(gòu)的零部件設(shè)計(jì)

2.1 彈性連接件

彈性連接件作為機(jī)翼變彎度的主要承力部件，該部件的設(shè)計(jì)需要滿足機(jī)翼弦向的雙向變彎度要求。在翼弦中面上的單一的彈性基板或柔性鉸鏈?zhǔn)菇Y(jié)構(gòu)存在連接薄弱、可靠性差的問題，多連接件的布置方式又會將翼肋中離散的單元件完全固定約束，制約其發(fā)生相對位移。本文提出了一種M型彈性連接件，如圖7所示。

M型彈性連接件的設(shè)計(jì)基于正弦函數(shù)：

y=Asin（bx）（1）

式中： 幅值A(chǔ)表征調(diào)整連接件的高度； 角頻率控制連接件在固定寬度內(nèi)的波形。

根據(jù)彈性連接件的設(shè)計(jì)預(yù)留安裝空間進(jìn)行函數(shù)的參數(shù)調(diào)整，在本文中A=16，b=0.227。連接件兩端為固定區(qū)域，受外載荷時(shí)有著良好的變形與恢復(fù)能力。

M型彈性連接可實(shí)現(xiàn)雙向彎曲變形，相比于單層基板或柔性鉸鏈設(shè)計(jì)，多連接件的安裝不影響翼肋離散單元之間的相對彈性變形，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度要求改變連接件的個(gè)數(shù)。兩種彈性連接方式的對比如圖8所示，雙層彈性連接的結(jié)構(gòu)具備良好的彎曲變形能力，且有更好的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性。

2.2 蒙皮支撐結(jié)構(gòu)

變彎度機(jī)翼蒙皮的支撐結(jié)構(gòu)是將機(jī)翼的彈性變形區(qū)離散成多個(gè)獨(dú)立的單元。通過彈性連接件依次連接，彈性連接件彎曲變形帶動其產(chǎn)生位移，多個(gè)蒙皮支撐結(jié)構(gòu)之間相對的微小位移疊加，達(dá)到整體結(jié)構(gòu)彎度變化的效果。機(jī)翼蒙皮支撐結(jié)構(gòu)在確定上下支撐接觸面形狀的基礎(chǔ)上使用翼型輪廓切割以保證機(jī)翼的上下翼面光滑。單個(gè)蒙皮支撐結(jié)構(gòu)如圖9所示。為增大結(jié)構(gòu)和蒙皮的接觸面積，本文中的蒙皮支撐結(jié)構(gòu)接觸面為波紋設(shè)計(jì)，與蒙皮的接觸面積更大，有良好的抗蒙皮塌陷效果。蒙皮支撐結(jié)構(gòu)上的圓孔為驅(qū)動裝置的預(yù)留安裝位置，驅(qū)動裝置嵌入內(nèi)部的一體化設(shè)計(jì)提高了整體結(jié)構(gòu)的空間利用率。

蒙皮支撐結(jié)構(gòu)通過彈性連接件連接，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為M型彈性連接件，變彎度機(jī)翼彈性變形區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

2.3 驅(qū)動裝置

傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置為僅用作結(jié)構(gòu)變形的動力輸出裝置，在本文的結(jié)構(gòu)與功能一體化設(shè)計(jì)中，驅(qū)動裝置與結(jié)構(gòu)本身融合一體，實(shí)現(xiàn)在提供動力的同時(shí)也起到了調(diào)節(jié)、維持結(jié)構(gòu)剛度的作用。本文所使用的驅(qū)動裝置為一種自制人工氣動肌肉。該結(jié)構(gòu)模仿人體肌肉， 是一種以高壓氣體驅(qū)動的作動器， 其有與人體肌肉類似的力學(xué)行為［26］。人工氣動肌肉由外層剛性編織網(wǎng)和內(nèi)層彈性橡膠管以及氣動密封件組成，其優(yōu)點(diǎn)在于輸出力大，制造成本較低，柔軟的物質(zhì)特性使其可用作驅(qū)動器，嵌于復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部。當(dāng)輸入氣壓時(shí)，氣動肌肉徑向膨脹，軸向收縮，軸向的收縮力為變彎度機(jī)翼提供彎矩，驅(qū)動結(jié)構(gòu)發(fā)生彎度； 在氣動肌肉排氣時(shí)，軸向恢復(fù)原長，徑向收縮，逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)，其工作原理如圖11所示。

變彎度機(jī)翼的單個(gè)翼肋中布置4個(gè)人工氣動肌肉，如圖12所示分上下兩排。在彎度變化時(shí)，上層與下層的兩組氣動肌肉協(xié)同工作，起到機(jī)翼彎度變化和剛度調(diào)節(jié)的作用。

3 機(jī)翼結(jié)構(gòu)仿真分析

在以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對變彎度翼肋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵零部件進(jìn)行仿真分析，并對整體的變彎度翼肋變形及承載能力進(jìn)行模擬分析。

首先，對變彎度機(jī)翼中的關(guān)鍵承載部件M型彈性連

接件的變形能力進(jìn)行仿真分析。材料設(shè)置為光敏樹脂，彈性模量為2 460 MPa，彎曲強(qiáng)度為68.9 MPa，泊松比為0.23。M型彈性連接件強(qiáng)度范圍內(nèi)的最大變形模擬結(jié)果如圖13所示。該類型連接件能輸出最大位移14.49 mm，此時(shí)最大應(yīng)力為59.39 MPa。可以看出該連接件有較好的彈性變形效果，滿足機(jī)翼的變彎度要求。

其次，本文對圖14所示的變形機(jī)翼核心局部變形結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。該結(jié)構(gòu)為能反映變彎度翼肋結(jié)構(gòu)變形機(jī)理的最小裝配單元體，包括4個(gè)氣動肌肉、2個(gè)M型彈性連接件以及2個(gè)蒙皮支撐結(jié)構(gòu)。在輸入氣壓后氣動肌肉徑向膨脹、軸向收縮，從而可以驅(qū)動上述核心部件的變形。如對上層的氣動肌肉輸入0.25 MPa氣壓，在雙層彈性連接件的穩(wěn)定連接下，該結(jié)構(gòu)體有良好的變形效果，滿足機(jī)翼彎度變化的大變形要求。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移響應(yīng)結(jié)果如圖15所示。

進(jìn)一步，對變彎度翼肋中影響彎度變化的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。如圖16所示，建立機(jī)翼彈性變形區(qū)的簡化模型。M型彈性連接件上下兩層布置，既滿足結(jié)構(gòu)柔性可變彎度，又能保證結(jié)構(gòu)之間連接的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。該簡化模型的仿真分析結(jié)果如圖17所示。陣列布置的M型彈性連接件的變形疊加使得簡化模型發(fā)生了明顯的角度偏轉(zhuǎn)，驗(yàn)證了變彎度翼肋關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與可行性。

最后，進(jìn)行整體變彎度翼肋的變形及承載能力仿真分析， 如圖18～19所示。施加氣動肌肉等效載荷，變彎度翼肋完成彎度變化，翼型后緣處最大位移為124.6 mm，有明顯的變彎度效果。在施加氣動肌肉等效載荷的基礎(chǔ)上施加10 kPa壓強(qiáng)載荷，對機(jī)翼抗彎能力仿真分析，翼型后緣處最大位移為20.4 mm，驗(yàn)證了變彎度機(jī)翼設(shè)計(jì)剛度調(diào)節(jié)的有效性。

4 原理樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)測試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證可變形機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，本文進(jìn)行了變彎度機(jī)翼的原理樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)測試，完成了從開始的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到最終的整體機(jī)翼裝配，并進(jìn)行了驅(qū)動變形實(shí)驗(yàn)。變彎度機(jī)翼的設(shè)計(jì)與制作流程如圖20所示。

原理樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)部分為變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步原理性驗(yàn)證，因此結(jié)構(gòu)的選材以光敏樹脂作為機(jī)翼結(jié)構(gòu)的主要材料，通過3D打印技術(shù)完成結(jié)構(gòu)零件制作。光敏樹脂因其韌性好、光滑度高和耐久性強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛使用，其性能類似于工程塑料ABS，其材料性能參數(shù)如表1所示。

首先， 對機(jī)翼驅(qū)動裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，氣動肌肉的初始狀態(tài)和充氣收縮狀態(tài)對比如圖21所示。初始狀態(tài)下，氣動肌肉長度為300 mm，輸入氣壓后氣動肌肉徑向膨脹軸向收縮，最大收縮長度為50 mm。

收縮率計(jì)算公式：

δ=ΔL/L×100%（2）

式中： ΔL為收縮長度； L為初始長度。氣動肌肉的收縮率為16.67%，有明顯的收縮拉伸效果，能夠滿足機(jī)翼變彎度的大變形需求。

將滿足大變形需求的人工氣動肌肉與翼肋骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一體化的裝配，單個(gè)變彎度翼肋質(zhì)量為1.2 kg。最終的原理樣機(jī)由5個(gè)功能相對獨(dú)立的翼肋組裝而成，如圖22所示。氣壓串聯(lián)輸入，可以在輸入一定氣壓時(shí)，各個(gè)翼肋同步彎曲變形且變形幅度一致達(dá)到機(jī)翼整體彎曲變形的效果。

其次， 本文對機(jī)翼原理樣機(jī)進(jìn)行變彎度實(shí)驗(yàn)，通過氣壓傳感器監(jiān)測輸入一定氣壓，氣動肌肉收縮帶動機(jī)翼彎度變化，可以完成機(jī)翼弦向的雙向彎曲，如圖23所示。該機(jī)翼結(jié)構(gòu)有較好的變彎度效果，可實(shí)現(xiàn)向上彎曲13.6°，向下彎曲9.5°，輸入氣壓與翼型后緣處位移和翼型彎度變化一一對應(yīng)，實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)見表2～3。將輸入氣壓與翼型后緣處位移和翼型彎度變化角度進(jìn)行擬合，如圖24～25所示。

翼型后緣處位移和翼型彎曲變形角度在測量記錄上存在著一定的觀測誤差，但輸入氣壓和翼型后緣處位移與翼型彎曲變形角度均可很好地呈現(xiàn)出近似正比關(guān)系，即隨著輸入氣壓增大，翼型后緣處位移與翼型彎曲變形角度也增大。這種近似正比的關(guān)系，在后續(xù)研究中可引入傳感控制系統(tǒng)，使機(jī)翼彎度自適應(yīng)變化成為可能。

變彎度機(jī)翼原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了本文變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。根據(jù)圖24～25中的氣壓-翼型后緣處位移和氣壓-翼型彎曲角度的對應(yīng)關(guān)系，在同一翼型后緣處位移或翼型彎曲角度下，向下彎曲需要的氣壓值要大于向上彎曲的氣壓值； 在輸入一定氣壓值時(shí)，向上彎曲角度大于向下彎曲角度，且在執(zhí)行向上彎曲與向下彎曲時(shí)的靈敏度有所不同。導(dǎo)致這種現(xiàn)象是因?yàn)樵诔跏紶顟B(tài)下，機(jī)翼自重的作用下發(fā)生了向下彎曲的變形趨勢，機(jī)翼上層的氣動肌肉處于預(yù)拉緊狀態(tài)，在執(zhí)行向上彎曲時(shí)，輸入氣壓后機(jī)翼可快速做出響應(yīng)； 初始狀態(tài)下機(jī)翼自重造成的機(jī)翼向下彎曲使得下層的氣動肌肉處于空閑狀態(tài)，執(zhí)行向下彎曲時(shí)，輸入氣壓需要達(dá)到一定值，氣動肌肉需要先收縮一段距離然后開始作用到結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)向下彎曲變形。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的變彎度機(jī)翼可實(shí)現(xiàn)向上彎曲13.6°，向下彎曲9.5°，有較好的弦向變彎度能力，輸入氣壓與翼型后緣處位移、翼型彎曲角度響應(yīng)關(guān)系近似正比。

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Design and Research of Pneumatic Variable Camber Wing

Structure Based on Double-Layer Elastic Connection

Xue Yuting1，Yang Yi1，Liu Jian2，Lü Jun1*，Peng Haifeng1

（1. Aeronautics and Astronautics Institute，Dalian University of Technology，Dalian 116081，China；

2. Beijing Institute of Aerospace Technology，Beijing 100074，China）

Abstract： Variable camber wing is one of the key research directions of advanced aircraft in the future. The inhe-rent contradiction between the rigidity of wing structure and the bending deformation ability is the difficulty in the design of variable camber wing structure. In this paper， a new structure and function integrated variable camber wing structure is designed. Based on the inductive motion mechanism of mimosa in nature， on the one hand， a double-layer array M-type elastic connector is arranged in the elastic deformation zone of the variable camber ribs to meet the requirements of structural stiffness and flexible deformation. On the other hand， the aerodynamic muscle is embedded in the ribs to meet the airfoil deformation drive while maintaining the overall airfoil structural stiffness. Through simulation analysis and experimental test of the prototype， the results show that the variable camber wing design can meet the camber change effect of 13.5° upward and 9.5° downward， thus verifying the feasibility of the variable camber wing structure design.

Key words： variable camber wing； elastic connection； structural design； aerodynamic drive； structural and functional integration