充气机翼的褶皱与失效行为研究

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaOct．252016VoI．37No．103044．3053ISSN1000-6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn充气机翼的褶皱与失效行为研究李斌*，董楠楠，冯志壮，牛文超西北工业大学航空学院，西安710072摘要：在经典工程梁理论的基础上，结合张力薄膜的应力状态分析，提出充气机翼褶皱失稳的判据。计入表面薄膜褶皱引起的刚度退化效应，将机翼等效处理为一个变截面

2、刚度的梁，建立了充气悬臂机翼的等效梁模型，并采用微分求积法进行充气机翼弯曲变形分析。计算结果与充气机翼的静力弯曲试验结果相吻合，验证了充气机翼弯曲变形分析方法的有效性。应用片条理论引入气动力模型，并与所建立的等效梁模型相耦合，建立充气机翼的静气动弹性耦合模型，并用迭代算法进行求解。考虑起皱和失稳两种判据，并计算获取了试验机翼的起皱动压和皱褶失稳动压形式，计算结果与风洞试验结果一致。根据所建立的充气机翼静气动弹性分析方法，可以预测充气机翼表面褶皱区的扩展和弯曲变形，进而绘制充气机翼的静气弹许用包线，为充气

3、机翼的设计提供必要的安全边界参考依据。关键词：充气机翼；褶皱；变刚度；静气弹；中图分类号：V216文献标识码：A失稳文章编号：1000一6893(2016)10一3044—10薄膜充气结构具有质量轻、折叠体积小、展开迅速、可反复使用以及成本低等特点。近些年关于充气机翼在变体无人机上的应用得到国内外的广泛研究。早在2001年NASA的I一2000充气机翼无人机由母机携带进行了投放试飞试验，并成功在空中充气展开机翼、滑翔返回地面[1‘2]。美国Kentucky大学、ILCDover试验室对拉筋式充气机翼进行

4、了风洞试验研究和飞行试验[3]。国内有西北工业大学进行了充气机翼的设计、试验研究和飞行试验并取得成功[4]。北京航空航天大学进行了充气机翼的承载能力试验并对其气动特性进行了仿真分析[5]。哈尔滨工业大学对空间薄膜结构和充气锥台等结构展开了褶皱分析[6。7]。但目前考虑气弹耦合效应，对充气机翼进行计算和对比试验分析的文章还比较少。本文针对充气机翼在气动载荷下的褶皱和失稳问题，在经典工程梁理论的基础上，计入薄膜褶皱引起的刚度退化效应，建立了充气悬臂机翼的等效梁模型，并耦合基于片条理论的气动力计算方法，开展了

5、充气悬臂机翼的静气弹行为研究，获得了充气机翼的许用包线范围，并通过试验验证了计算结果，预测了所设计充气机翼的静气弹许用范围。1充气机翼的弯曲变形及褶皱分析1．1褶皱分析本文研究对象为一采用NACA0020为模板设计的充气悬臂机翼。所设计的充气机翼截面如图1(a)所示，通过13根维形筋条分隔成14个气室‘8。。图中：R为薄膜单元所在气室的曲率半径；％，为有效迎角；V。。为有效速度。机翼的尺寸收稿日期：2015．10．20；退修日期：2016-01．06；录用日期：2016-02—29；网络出版时间：201

6、6-03-1712：57网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V201603171257．004htmI基金项目：国家自然科学基金(11172238)；中央高校基本科研业务费专项资金(3102014KYJD015)；高等学校创新引智计划(B07050)*通讯作者．Tel：029．88493386E—ma¨：Ieebin@nwpu．edu．cn戤用梧武

7、李斌．董楠楠．冯志壮．等．充气机翼的裙皱和失效行为研究[Jj．航空学报，2016．37(10)：3044-305

8、3．uB，DO№NN，FENGzz．eta

9、。wrink‰gandfai

10、urebe№viorresearchof

11、nf

12、atedwing[JI．Ac协Aeronau“caetAstmn钏ticasinica．20{6，37(10)：3044．3053i李斌，等：充气机翼的褶皱与失效行为研究和材料参数如表1所示，制作完成的悬臂机翼如图1(b)所示。机翼的表面薄膜承受充气压力产生的展向和弦向张力。受弯矩作用时，机翼上下表面展向张力发生变化，形成截面内力矩，使得充气机翼具备一定的抗弯能力。机翼内部筋条充气后

13、受拉，用以维持翼型，所形成的多气室类似于经典机翼的多闭室，可传递剪流，使得充气机翼具备一定的抗扭能力。根据机翼截面的几何特征，计算得到截面形心位于48％弦长处，即截面刚心和机翼弹性轴所在位置，如图1所示。充气机翼弯曲时，受压面可能发生褶皱并引起刚度退化。充气机翼的褶皱判据采用充气悬臂(b)Cantlleverinnatedwlng图1悬臂充气机翼及截面形状Fig．1Cantileverinflatedwinganditscross—sect