變體飛行器的折轉翼尖設計及分析

陳小雨，楊 睿，李 揚，池鴻剛(大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

變體飛行器可以根據不同的飛行任務和飛行環境改變自身形狀，以獲得最佳的氣動性能，已經成為未來先進飛行器的重要特征和發展方向之一[1]。而折轉翼尖能極大地提高飛行器的性能，在起飛前將翼尖折轉一定的角度，能提高其起飛時的穩定性，并節省跑道的空間；巡航時折轉回水平位置，增大了機翼的展弦比，提高升阻比，增大航程。

目前，關于折轉翼尖的變形方案主要為兩種：一種是基于轉軸類型的設計(折疊翼)，Bourdin[2]等人提出了一種以伺服電機為驅動器，借助連桿機構實現變形的方案；另一種是基于柔性變形段的設計，李偉[3]提出了一種由柔性翼梁和形狀記憶合金彈簧驅動器組合的變形方案。折轉翼尖除了能夠變形之外，還應能夠承受一定的載荷，可變形的桁架結構是一個很好的方案，Inoyama[4]等人提出了一種由框架、驅動器和關節組合的變形結構。

本文提出一種折轉翼尖的設計方案，模型由驅動器、翼肋、鉸鏈連桿機構、硅橡膠蒙皮組成，能快速、準確地實現折轉變形運動。其驅動機構采用桁架結構設計，能承受一定的外界載荷，并具有很強的可設計性。對模型的結構進行詳細設計和制造，并進行向上偏轉運動的實驗測試，驗證有限元模型的準確性。針對蒙皮與翼肋出現的脫離問題，提出一種改進方案，通過有限元分析驗證方案的可行性。

1 折轉翼尖結構設計

本文設計的變機翼翼尖模型由驅動機構和硅橡膠蒙皮組成，如圖1所示。微型直線伺服驅動器為驅動機構提供推拉力，由鉸鏈連桿機構作為傳動機構，借助驅動器的推力，帶動翼肋繞鉸鏈向上進行轉動，最終實現驅動機構的折轉變形，驅動機構恢復到初始水平位置狀態，主要通過驅動器提供的拉力來實現，為其向上折轉變形的逆過程。硅橡膠蒙皮固定在翼肋上，跟隨驅動機構進行折轉變形，最終實現翼尖模型向上的偏轉運動，其機構簡圖如圖2所示。

圖1 變機翼翼尖模型

圖2 模型的機構簡圖

本模型預設的變形參數為向上折轉45°，運用軟件導出NACA0013的翼肋輪廓，機翼弦長設定為400 mm。根據變形參數和翼肋的尺寸參數，運用公式進行計算：連桿上鉸接孔的距離為91 mm、斜桿上鉸接孔的距離為100 mm、連桿與驅動器的垂直間距為41 mm、驅動器的行程為30 mm。在翼肋之間沿弦向安裝2組驅動器和鉸鏈連桿機構，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。對翼尖模型進行參數化建模，為后續模型的加工與有限元分析提供三維數模。

2 實驗測試

2.1 機翼翼尖模型的組裝

購買鋁型材、微型軸承、賽打螺絲釘、硅橡膠皮，鋁型材的型號為3030，利用螺栓、T型螺母、墊片、角件對鋁型材進行組裝，作為整體模型的機架；微型軸承的型號為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，實現連桿、斜桿與基座的鉸接；賽打螺絲釘的材料為304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，不僅能夠將基座與翼肋固定，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動器實現，微型直線伺服驅動器的型號為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個驅動器，并且需要實現同步運動，借助搖桿控制器可實現對其的控制，控制器的型號為AEC-LA-B1-02。搖桿控制器需要連接一個電源適配器，對其進行供電，電源適配器的型號為8.5V5A-AEA-LA-1-11。按照模型結構設計的位置關系，對模型進行裝配，其外形如圖3所示。

圖3 機翼翼尖模型外形圖

2.2 變形實驗測試

給模型的驅動器和搖桿控制器進行供電，通過搖桿控制器控制模型實現向上的折轉變形，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了向下的凹陷狀態；蒙皮下表面受拉，其拉伸的長度為驅動器的行程。

圖4 機翼翼尖模型折轉變形 圖5 機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生了脫離，這是由于蒙皮下表面在模型折轉變形的過程中受到了很大的拉力、連接釘的間距較大等因素造成的，可通過增加連接釘的數量來解決脫離問題。

3 折轉翼尖有限元分析

3.1 有限元模型的建立與參數設置

對機翼翼尖模型折轉變形的運動過程進行仿真分析，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，與變形實驗測試的結果進行對比分析，驗證有限元模型是否準確。

圖6 機翼翼尖有限元模型

由于翼肋之間2組驅動器和鉸鏈連桿機構的運動過程完全一致，為了簡化計算的過程和節省有限元計算的時間，在有限元分析時只保留一組機構。將模型導入到ABAQUS中，然后按照三維數模的位置關系進行裝配，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力學分析，與顯式動力學分析相比，其計算結果更加準確。硅橡膠蒙皮在跟隨驅動機構折轉變形過程中會產生大變形，因此將非線性分析的開關打開，并將分析步的時間設定為1。基座與翼肋之間、蒙皮內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動副，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，介紹具體的設置過程：1)在基座孔處創建參考點1，連桿孔處創建參考點2；2)在基座孔處建立局部坐標系，坐標系X軸方向為孔的軸向法線方向，其他兩個方向任意即可；3)在參考點1和參考點2之間建立特征線；4)創建連接器截面，在連接器類型中選擇Hinge；5)選擇創建的特征線，將連接器截面賦給特征線并在設置中選擇局部坐標系來完成連接器的創建；6)參考點1與基座孔之間、參考點2與連桿孔之間采用Coupling接觸形式來完成參考點與零件之間的連接。同理，驅動器與基座之間的鉸接也按照上述過程進行設置，驅動器中的推桿是具有一定行程的移動副，采用Connector中Translator來模擬推桿在驅動器中的移動。

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、變形驅動力小，因此其本身的剛度也較小。而驅動機構向上折轉的角度較大，蒙皮在折轉變形的過程中，蒙皮的上表面會出現凹陷狀態，與連桿發生貫穿現象；蒙皮的下表面會出現往右上方的拉伸狀態，與驅動器的左基座發生貫穿現象。在實際條件下，連桿與基座對蒙皮會有支撐作用，不會出現上述現象，因此需要在有限元分析中對其接觸進行設置。連桿、連桿左基座、斜桿左基座與上蒙皮之間，驅動器左基座與下蒙皮之間均采用Contact中Normal Behavior接觸關系來消除貫穿現象。

將模型左端固支，采用連接器位移邊界條件對上文的Translator進行設置，將U1設置成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 仿真結果分析

通過計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，模型的蒙皮沒有發生貫穿現象，模型實現了向上偏轉的運動。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方向上出現了向下的凹陷狀態，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，蒙皮下表面在驅動機構推力作用下變形量較大，其伸長量為驅動器的行程，導致蒙皮與翼肋出現了脫離狀態。相較于翼肋的其他位置，驅動器安裝位置處的蒙皮脫離現象會更加明顯，有限元模型出現了與實體模型一樣的脫離現象；測量的變形角度為44.9°，與結構設計的角度基本一致，驗證了有限元模型的準確性。

圖8 模型變形后的位移云圖(仰視圖)

3.3 模型結構設計參數優化

針對蒙皮下表面與翼肋出現的脫離問題，通過分析產生的原因，主要是蒙皮與翼肋綁定位置的間距過大，導致翼肋的拉力只是通過集中的幾個位置傳遞給蒙皮，其他未綁定位置的蒙皮就會產生脫離狀態。而理想的狀態是翼肋的拉力能夠均勻、分散的傳遞給下蒙皮，帶動蒙皮實現拉伸變形。

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

通過有限元分析的方式，按照上述規律在蒙皮下表面增加綁定位置，其他設置與上文保持一致，其仿真結果如圖9所示。對圖8和圖9進行對比分析，可以發現蒙皮下表面與翼肋出現的脫離狀態得到了明顯的改善，但模型向上偏轉的位移略有下降，降低了0.5%，可忽略不計。對模型的變形角度進行測量，其折轉角度為44.6°，與結構設計的角度基本一致。

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，減小模型的應力，能夠有效地降低驅動力，增加結構的承載能力。減小蒙皮厚度可實現應力的降低，通過有限元分析的方式分別對蒙皮厚度為0.5 mm和1 mm的模型進行仿真分析，有限元模型的參數設置與上文增加綁定的模型一致，其仿真結果如圖10所示。從仿真結果可以看出，模型的應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 模型的應力云圖

4 結論

1)本文設計的變機翼翼尖模型能夠快速、準確的實現向上的偏轉運動，其向上變形的角度為45°，并具有自鎖能力。模型表面的連續性較好，有利于解決變體機翼氣密性差的問題。

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，并將模型的應力降低了40.9%，增加了整體結構的承載能力。