基于SMP变刚度管的变形蒙皮结构的性能分析-工程力学专业论文.docxVIP

Classified Index: TB12 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering ANALYSIS OF MORPHING SKIN STRUCTURE BASED ON SHAPE MEMORY POLYMER COMPOSITE TUBE Candidate： Chen Shanbo Supervisor： Dr. Zhang Zhichun Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Engineering Mechanics Affiliation： School of Astronautics Date of Defence： June, 2014 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘 要 航空航天系统的性能可以通过新的设计方法和研发新的材料而改进，采用变 形结构可以通过降低结构重量从而减少运营成本。在飞机的完整飞行过程中，其 飞行参数会随着外界环境的变化而改变，变体飞行器可以通过其机翼外形的改变 从而适应外界不同的飞行环境，与常见的固定翼飞行器相比，变体飞行器在改进 气动性能方面存在巨大的潜能。变形蒙皮材料及其结构是实现变体飞行器机翼变 形的关键技术之一。为了实现机翼弦长、展长、后掠角及翼面积的变化，蒙皮必 须要能够承受足够大的变形。另外，蒙皮还需要保持一定的面外刚度从而抵御变 形时的气动载荷；与此同时，要尽量减小蒙皮的面内刚度从而使变形过程中的能 量消耗达到最低。 形状记忆材料是一种具有形状记忆能力的新型活性聚合物，当受到外界刺激 例如热、磁和电时，可以将其自身形状由临时态回复至原始状态。本文设计并测 试了一种由碳纤维和形状记忆材料制成的形状记忆复合材料管。实验结果显示通 过外界环境温度的变化，该复合材料管可以显著地改变其自身刚度。 基于 SMP 变刚度管，本文将其埋入硅橡胶中并设计出一种变形蒙皮。利用有 限元方法分别对蒙皮在常温及高温状态进行了分析，设定在均布载荷情况下，通 过改变蒙皮几何尺寸，得到了不同尺寸下的蒙皮最大挠度及高低温下蒙皮的挠度 比。之后，针对 SMP 复合材料加热的难点，提出了利用热水来加热 SMP 的方法， 并对该过程进行了有限元模拟。 为了测试蒙皮的基本力学性能，本文利用混合率公式对于蒙皮整体模量进行 了计算，然后对蒙皮在高温和常温两种状态下进行了恒温拉伸实验，并将所得实 验结果与理论值进行对比从而验证理论计算的准确性。之后，对蒙皮进行了承载 力实验，研究了不同的加热方式对于蒙皮加热效率的影响并最终选取热流体加热 法进行加热。针对这一方法设计了独特的加热系统并对蒙皮承载能力进行了测试。 利用红外测试手段对加热状态下的蒙皮进行了观察，得到了蒙皮表面温度分布与 加热时间的关系。 本文利用 ISIGHT 软件对于蒙皮结构参数进行了敏感性分析，通过分析结果确 定了主要的优化参数。利用 ISIGHT 软件中遗传算法对蒙皮结构的质量及最大挠度 进行了优化，得到了满足结构轻量化及蒙皮鼓包变形最小化的最佳设计参数。最 后，本文基于单层变形蒙皮设计出一种层合蒙皮结构，该结构采用特定的铺层设 计，由计算结果可以看出通过改变不同层的加热状态，该结构可以达到多种不同 的模量值。 关键词：形状记忆复合材料；变形蒙皮；刚度变化；加热方式；优化设计 I - ABSTRACT The performances of the aerospace systems can be influenced by design approaches and innovation of novel materials. New solutions in morphing structures may lead to a decrease in operating costs by reducing weight. In an integrated flight cycle with continuously varied flight parameters, morphing aircrafts could adapt to the outside flight environment through changing their wing shapes. They are able to offer great potential for performance improvements in comparison with traditional aircrafts. Morp