一种新的柔性蜂窝结构及其在变体飞机中的应用张平１，周丽１，＊，邱涛２１．南京航空航天大学结构与强度研究所，飞行器结构力学与控制教育部重点实验室，江苏南京２１００１６２．沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳１１００３５摘要：变体飞机要求机翼结构可以光滑连续地变形。机翼的蒙皮要有足够大的面内伸缩变形能力，同时还要有足够的面外承载能力。本文针对后缘变弯度机翼，设计出一种新的柔性蜂窝结构。研究了该柔性蜂窝的面内变形能力和形状参数的关系。仿真分析和试验验证表明，该柔性蜂窝结构具有足够的面内变形能力，变形后仍保持良好的面外承载能力，满足后缘变弯度机翼的使用要求。关键词：变体飞机；柔性机翼；柔性蜂窝；面内变形；力学性能；结构设计中图分类号：Ｖ２５０．３文献标识码：Ａ变体飞机是一种可以在飞行过程中随时改变外形来适应任务环境变化的新概念飞机［１］。设计可变形机翼结构是变体飞机研究领域的一项主要挑战［２］。柔性机翼在光滑连续变形时需要机翼蒙皮具有充分的面内变形能力，同时还能够承受气动载荷。传统的材料和结构设计很难解决面内充分的变形能力和面外足够的承载能力二者之间的矛盾。使用新型智能材料和创新结构设计成为众多学者广泛研究的内容。Ｍｏｎｎｅｒ和Ｐｏｏｎｓｏｎｇ设计了一种可转动翼肋机构［３－５］，由一些独立的刚性单元通过转轴和线性滑动轴承连接而成，变形可由单点控制。但是该机构以及驱动系统带来的重量代价大。文献［６］～文献［８］研究了用形状记忆合金作为驱动的柔性结构，通过调整温度控制结构变形，但是变形能力体飞机蒙皮材料的首选［９－１０］。邱涛等设计了一种柔性结构单元［１１］，该单元在面内可以产生较大的伸缩变形，在垂直平面方向可以承受较大的载荷，克服了目前智能材料驱动能力的不足，但是仍要付出较大的重量代价。蜂窝夹芯结构以重量轻、抗弯和抗压强度大等优点被广泛地使用在航空结构上［１２］，但是变形能力不满足柔性机翼的设计要求。目前国内外可见的关于柔性蜂窝结构的研究很少。本文设计并制作了一种新的柔性蜂窝结构，对其面内变形能力和面外承载能力进行了仿真分析和试验验证，并在后缘变弯度机翼结构设计中尝试应用。该结构重量轻、面内收稿日期：２０１０－０４－２２；退修日期：２０１０－０６－０９；录用日期：２０１０－０７－０５；网络出版时间：２０１０－１１－１０１５∶００网络出版地址：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．１９２９．Ｖ．２０１０１１１０．１５００．００２．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金（１０５７２０５８）；航空科学基金（２００８ＺＡ５２０１２）ＤＯＩ：ＣＮＫＩ：１１－１９２９／Ｖ．２０１０１１１０．１５００．００２引用格式：张平，周丽，邱涛．一种新的柔性蜂窝结构及其在变体飞机中的应用［Ｊ］．航空学报，２０１１，３２（１）：１５张平等：一种新的柔性蜂窝结构及其在变体飞机中的应用１５柔性蜂窝的优化设计１设计目的与要求１．１柔性机翼结构中使用的蜂窝结构，不仅要保证重量轻、强度高等特点，还需要满足柔性结构对其在变形和承载方面的特殊要求。常规飞机机翼的后缘舵面一般偏转２０°～３０°。考虑到柔性机翼气动效率比普通机翼高，后缘弯度相当于舵面偏转１５°，因此设计的柔性蜂窝弯曲变形量要达到１图１不同形状的蜂窝Ｆｉｇ．１Ｈｏｎｅｙｃｏｍｂｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｈａｐｅｓ蜂窝单元由几块薄壁结构构成，其变形由薄壁结构的面内变形和弯曲变形组成。薄壁结构受面内载荷时变形小，受垂直平面载荷时弯曲变形大。对于不同形状的蜂窝单元，其倾斜边尺寸以及倾斜边与直边的夹角对其面内变形影响明显，二者共同作用的效果可以由蜂窝单元与载荷垂直方向的当量尺寸衡量，如图２所示。设计思路与方法１．２设计柔性蜂窝时要考虑后缘变弯度机翼结构的变形、承载、传力、驱动等要求，使其能够产生较大的弯曲变形。针对这些要求，已采用的结构形式是：在弯曲中性面上布置芯板，在芯板上布置立（腹）板连接驱动装置，用可变形蜂窝支撑柔性蒙皮，并将表面上的气动载荷传递给芯板。...