一种基于压电驱动的新型变体机翼的制作方法

本发明涉及航空飞行器变体机翼技术领域，具体涉及一种基于压电驱动的新型变体机翼。

背景技术：

目前，已应用到飞机上的变体机翼主要是通过液压装置驱动、以折叠-伸展为变形形式的刚性变体机翼。压电材料作为一种全新的功能材料，利用其逆压电效应，可以在电场作用下控制其变形程度，在变体机翼方面也得到了一定的应用，但目前对压电材料的利用仍有一些不足之处。

1.常见的刚性变体机翼是利用液压装置控制机翼的折叠和伸展来改变飞机形状，但是该类型的变体机翼往往具有复杂的机械结构，很大程度增大了机翼体积和质量，影响飞机的整体飞行性能和稳定性。

2.目前已提出的以形状记忆材料驱动的变体机翼，虽然可以达到机翼厚度和倾角的效果，但是其响应缓慢的问题会致使机翼不能根据飞行环境做出及时改变。

3.目前已提出的以压电材料驱动的变体机翼，主要是将压电系统直接与机翼蒙皮结合来达到改变机翼形状的效果，但是该类形变体机翼会致使压电系统在飞行过程中与外界载荷直接接触，影响压电系统的驱动效果和工作环境。

4.此外，以压电材料驱动的变体机翼，变形幅度较小的问题会导致机翼在各类飞行环境状况下的自适应性降低，局限变体机翼的变形程度与变形形式。

压电材料是通过极化处理形成的，具备耐热、耐湿、制造容易以及可制成任意形状和极化方向的优点。当压电材料受到力或其他载荷时，将在其表面产生电荷；而在压电材料表面施加电场时,将使其发生变形，因此压电材料具有正逆压电效应。因其测量精度高、响应速度快和性能稳定等优点，压电材料已广泛应用于航空航天、精密测量和智能结构等领域。

关于逆压电效应：如图1所示，当在压电材料03的晶体上下表面施加电场力时，压电材料03内部的正、负电荷就会在外加电场的作用下发生相对位移，这时压电材料03会因此产生一定的机械变形，这种现象称为逆压电效应。

关于分布式压电复合梁驱动器：如图2所示，将多个压电片06上下对称地粘贴在基体梁07上形成的压电复合梁驱动器，既具备压电材料的优点，同时可以提高结构的稳定性和承载能力，并且变形灵活多样。在电场作用下，压电片06驱动基体梁07进行变形，从而满足相应的工程要求。

关于菱形放大器：目前常用的放大机构主要包括桥式放大机构，杠杆式放大机构以及三角放大机构，本发明所涉及的菱形放大器采用三角放大机构，目的是在减少占用空间的前提下保证放大倍数。图3给出了菱形放大器的三角放大原理图。如图3所示，依次通过端部铰接的杆件构成菱形放大器，所述的菱形放大器的四根杆件采用刚性杆件，忽略在外力作用下的变形，即对应的三角形斜边长度不变。设长直角边为a，其与斜边的夹角为θ，短直角边长为b。当长直角边伸长δa，短直角边则相应缩短δb，在斜边恒定的情况下，有等式：

a2+b2＝(a-δa)2+(b+δb)2(2)

忽略δa2和δb2两个高阶无穷小量，根据式(2)可得放大倍数：

由式(3)可以看出菱形放大器的放大倍数是与其锐角的大小有关的，与斜边与直角边的长度无关，其锐角越小，则位移放大倍数越大。根据这一原理，利用菱形放大器在保证放大变形的同时，既可以将横向位移转变为纵向位移，又可以有效减小整体结构体积。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于压电驱动的新型变体机翼，本发明所涉及的变体机翼优化了压电驱动单元的结构及其安装位置，使机翼变形更加稳定和多样化以适应不同飞行环境。当压电驱动单元工作时，驱动机变形结构发生自适应性变形，从而达到改变机翼厚度及其倾角的作用。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于压电驱动的新型变体机翼，包括截面为d形的机翼盒、及连接于机翼盒后端的变形结构，所述的机翼盒包括由多条截面为l形的肋条、及主翼梁通过连接件搭建成的框架，以及固定连接于框架外表面的刚性蒙皮，所述的变形结构位于主翼梁的后侧，包括多个与主翼梁的后端面固定连接且间隔设置的柔性桁架承载单元、设置于相邻的柔性桁架承载单元之间的压电驱动单元、以及固定连接于柔性桁架承载单元上端的柔性蒙皮。

优选的，所述的压电驱动单元包括第一驱动部及第二驱动部，所述的第一驱动部及第二驱动部并排排列于主翼梁的后侧，在第一驱动部及第二驱动部的底部设有一端与主翼梁固定连接的刚性底梁，在刚性底梁的上端分别设有用以安装第一驱动部及第二驱动部的底座，所述的刚性底梁、及柔性桁架承载单元的下端固定连接有刚性蒙皮。

优选的，所述的底座沿水平方向设置，所述的第一驱动部及第二驱动部具有相同的结构，包括底端与底座上表面固定连接、且相互平行设置的2个分布式压电复合梁驱动器、设置于2个分布式压电复合梁驱动器之间且一端与底座上表面连接的储能弹簧、设置于储能弹簧上方的菱形放大器，设置于菱形放大器上方的变形传递导杆，所述的菱形放大器的下端与储能弹簧的上端连接，菱形放大器的上端与变形传递导杆的下端连接，所述的菱形放大器的两侧端分别通过连杆与两侧的分布式压电复合梁驱动器的顶端连接，所述的连杆的两端分别与菱形放大器、及分布式压电复合梁驱动器铰接，所述的第一驱动部及第二驱动部的变形传递导杆顶端固定连接有柔性梁，所述的柔性梁的前端与主翼梁的后端面固定连接，所述的柔性梁的上端与柔性蒙皮的下表面相抵。

优选的，所述的柔性桁架承载单元包括上弧形杆、下弧形杆、以及连接于上弧形杆、下弧形杆之间的桁架主体，所述的桁架主体的后端与下弧形杆的后端齐平，所述的下弧形杆的长度小于上弧形杆的长度，在各个柔性桁架承载单元的下弧形杆的后端之间还连接有刚性纵梁，在各个柔性桁架承载单元的上弧形杆的后端与刚性纵梁之间还连接有波纹状柔性蒙皮。

优选的，所述的各个柔性桁架承载单元的上弧形杆的后端设有尾线滑轮，所述的波纹状柔性蒙皮的后端通过尾线滑轮与柔性蒙皮连接；所述的柔性梁的后端与上弧形杆的后端齐平，且在柔性梁后端与刚性纵梁之间还连接有波纹板，所述的波纹板上端与柔性梁端部通过尾线滑轮连接，下端与刚性纵梁固定连接。

优选的，所述的刚性纵梁与刚性底梁固定连接，在连接处还设有副翼梁，所述的副翼梁底端与刚性纵梁的上表面固定连接，顶端与柔性梁滑动连接，在副翼梁的上部还设有约束横梁，所述的约束横梁的前端与主翼梁的后端面固定连接，约束横梁的后端与副翼梁的上部固定连接，在约束横梁上还开设有导向孔，所述的导向孔内固定安装有滚轮，所述的变形传递导杆穿过导向孔并与滚轮滑动连接。

优选的，所述的变形传递导杆的顶端为弧形面，且变形传递导杆的内部为中空结构。

优选的，所述的刚性底梁的下端面呈弧形，所述的第一驱动部位于第二驱动部的前侧，且在菱形放大器伸展时，第一驱动部的变形传递导杆的顶端的高度大于第二驱动部的变形传递导杆顶端的高度。

优选的，所述的约束横梁为“z”形结构，且第二驱动部的底座的高度高于第一驱动部的底座的高度。

本发明一种基于压电驱动的新型变体机翼具有如下有益效果：

1、本发明通过对变形结构的改进，通过设置在变形结构内部的压电驱动单元促进机翼变形，有效避免了现有技术中将压电系统与柔性蒙皮结合一起带来的负荷大、驱动效果差的缺陷，具有灵敏的变形功能，且压电驱动单元的使用寿命长；

2、本发明的机械结构简单，驱动效果好，通过第一驱动部的粗调和第二驱动部的微调，可使变形结构的外形保持机翼的气流外形，可充分满足飞行器机翼的变形需要；

3、本发明充分利用逆压电效应，在驱动变形结构变形时，各部分相互配合，响应速度快，能够充分满足飞行器在飞行过程中快速调整机翼形状的需要，可使机翼根据飞行环境及时作出适应性改变；

4、本发明克服了现有的压电材料驱动的变体机翼变形幅度小的缺陷，通过菱形放大器、分布式压电复合梁驱动器、及变形传递导杆的相互配合，使机翼的变形幅度可适配各类飞行环境，有效提高了变体机翼的自适应能力。

附图说明

图1是逆压电效应示意图；

图2是分布式压电复合梁驱动器模型图；

图3是菱形放大器的三角放大原理；

图4是新型变体机翼三维模型图；

图5是压电驱动单元的结构模型图；

图6是初始状态下驱动部状态图；

图7是下驱变形后驱动部状态图；

图8是上驱变形后驱动部状态图；

图9是下驱过程中各节点位移变化及受力状态；

图10是上驱过程中各节点位移变化及受力状态；

图11是变形过程中能量转化示意图；

01：初始状态，02：变形状态，03：压电材料，04：压电作用区域，05：裸梁区域，06：压电片，07：基体梁，08：机翼盒，09：变形结构；1：刚性蒙皮，2：主翼梁，3：肋条，4：柔性桁架承载单元，5：压电驱动单元，6：柔性蒙皮，7：波纹状柔性蒙皮，8：刚性纵梁；41：上弧形杆，42：下弧形杆，43：桁架主体，501：第一驱动部中的分布式压电复合梁驱动器，502：第一驱动部中的储能弹簧，503：第一驱动部中的菱形放大器，504：第一驱动部中的变形传递导杆，511：第二驱动部中的基体梁，512：第二驱动部中的储能弹簧，513：第二驱动部中的菱形放大器，514：第二驱动部中的变形传递导杆，531：约束横梁，532：滚轮，533：柔性梁，534：底座，535：刚性底梁，536：波纹板，537：副翼梁，538：尾线滑轮，539：连杆。

具体实施方式

以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在一个实施例中，一种基于压电驱动的新型变体机翼，如图4所示，包括截面为d形的机翼盒08、及连接于机翼盒08后端的变形结构09，所述的机翼盒包括由多条截面为l形的肋条3、及主翼梁2通过连接件搭建成的框架，以及固定连接于框架外表面的刚性蒙皮1，机翼盒08具备抗剪抗压性能，在飞行器航行过程中起到分割气流、保证机翼整体结构稳固的作用；所述的变形结构位于主翼梁2的后侧，包括多个与主翼梁2的后端面固定连接且间隔设置的柔性桁架承载单元4、设置于相邻的柔性桁架承载单元4之间的压电驱动单元5、以及固定连接于柔性桁架承载单元4上端的柔性蒙皮6；柔性桁架承载单元4可对变形后的柔性蒙皮6起到承载作用，用压电驱动单元5可驱动柔性蒙皮6变形，而变形的柔性蒙皮6可带动柔性桁架承载单元4变形；需要说明的是，柔性桁架承载单元4需要一定大小的载荷作用才能改变原有形状，直至适应该种载荷后变形停止，每次变形稳定后的形状都具有一定的承载能力，当继续改变载荷大于其承载能力时，则其结构继续变化寻求适应载荷的稳定形态。

在进一步的实施例中，如图4、5所示，所述的压电驱动单元包括第一驱动部及第二驱动部，所述的第一驱动部及第二驱动部并排排列于主翼梁2的后侧，在第一驱动部及第二驱动部的底部设有一端与主翼梁2固定连接的刚性底梁535，在刚性底梁535的上端分别设有用以安装第一驱动部及第二驱动部的底座534，所述的刚性底梁535、及柔性桁架承载单元4的下端固定连接有刚性蒙皮1；通过将第一驱动部及第二驱动部安装于变形结构内的下部，可避免压电材料直接作用于柔性蒙皮6，使压电驱动单元5可脱离外界载荷(即蒙皮变形后对压电系统的反作用力，现有技术是将压电系统直接与机翼蒙皮结合来达到改变机翼形状的效果，但是该类形变体机翼会致使压电系统在飞行过程中与外界载荷直接接触，压电系统的工作环境差，影响到压电系统的驱动效果)，保持驱动灵敏性，延长压电驱动单元5的使用寿命。

在进一步的实施例中，如图4、5所示，所述的底座1沿水平方向设置，所述的第一驱动部及第二驱动部具有相同的结构，包括底端与底座534上表面固定连接、且相互平行设置的2个分布式压电复合梁驱动器501\511、设置于2个分布式压电复合梁驱动器501\511之间且一端与底座534上表面连接的储能弹簧502\512、设置于储能弹簧上方的菱形放大器503\513，设置于菱形放大器上方的变形传递导杆504\514，所述的菱形放大器的下端与储能弹簧的上端连接，菱形放大器的上端与变形传递导杆的下端连接，所述的菱形放大器的两侧端分别通过连杆539与两侧的分布式压电复合梁驱动器的顶端连接，所述的连杆539的两端分别与菱形放大器、及分布式压电复合梁驱动器铰接，所述的第一驱动部及第二驱动部的变形传递导杆顶端固定连接有柔性梁533，所述的柔性梁533的前端与主翼梁的后端面固定连接，所述的柔性梁533的上端与柔性蒙皮6的下表面相抵；在变形过程中，通过柔性梁533支撑柔性蒙皮6变形，在柔性梁533与柔性蒙皮6相抵的过程中可相对滑动，从而适应变形后的结构需要；从图5可以看到，虽然二者结构相同，但第一驱动部与第二驱动部的尺寸有较大差异，分别用于变形结构的大幅度变形及小幅度变形，类似于粗调与微调，可使柔性梁以弧形形态平顺过渡，从而保证机翼整体的气流外形。

在进一步的实施例中，如图4所示，所述的柔性桁架承载单元4包括上弧形杆41、下弧形杆42、以及连接于上弧形杆41、下弧形杆42之间的桁架主体43，所述的桁架主体的后端与下弧形杆42的后端齐平，所述的下弧形杆42的长度小于上弧形杆41的长度，在各个柔性桁架承载单元4的下弧形杆的后端之间还连接有刚性纵梁8，在各个柔性桁架承载单元4的上弧形杆的后端与刚性纵梁之间还连接有波纹状柔性蒙皮7。

在进一步的实施例中，如4、5图所示，所述的各个柔性桁架承载单元4的上弧形杆的后端设有尾线滑轮538，所述的波纹状柔性蒙皮7的后端通过尾线滑轮538与柔性蒙皮6连接；所述的柔性梁533的后端与上弧形杆41的后端齐平，且在柔性梁533后端与刚性纵梁8之间还连接有波纹板536，所述的波纹板536上端与柔性梁端部通过尾线滑轮538连接，下端与刚性纵梁8固定连接；波纹板536可随变形结构变形而展开，并对波纹柔性蒙皮7起到承载作用；而波纹状柔性蒙皮7的后端通过尾线滑轮538与柔性蒙皮6连接，可通过滑动的形式传递变形，二者初始时均处于紧绷状态，柔性蒙皮6在变形时会使波纹柔性蒙皮7做适应性变形。

在进一步的实施例中，如图4、5所示，所述的刚性纵梁8与刚性底梁535固定连接，在连接处还设有副翼梁537，所述的副翼梁537底端与刚性纵梁8的上表面固定连接，顶端与柔性梁533滑动连接，在副翼梁的上部还设有约束横梁531，所述的约束横梁531的前端与主翼梁的后端面固定连接，约束横梁531的后端与副翼梁537的上部固定连接，在约束横梁531上还开设有导向孔，所述的导向孔内固定安装有滚轮532，所述的变形传递导杆504\514穿过导向孔并与滚轮532滑动连接；从图5可以看出，滚轮532沿导向孔的轴向分布与导向孔的侧壁内表面，可通过多个滚轮532环绕于导向孔的内壁表面，并设置多组这样的滚轮532，从而在保证变形传递导杆504\514顺畅滑动的同时保持传递方向的稳定。

在进一步的实施例中，如图5所示，所述的变形传递导杆504；514的顶端为弧形面，且变形传递导杆的内部为中空结构；弧形面可与柔性梁533更好的配合，使变形传递导杆对柔性蒙皮6的挤压力柔和传递，且利于传递中柔性蒙皮6相对于变形传递导杆的顶端滑动。

在进一步的实施例中，如图4、5所示，所述的刚性底梁535的下端面呈弧形，所述的第一驱动部位于第二驱动部的前侧，且在菱形放大器伸展时，第一驱动部的变形传递导杆504的顶端的高度大于第二驱动部的变形传递导杆514顶端的高度；从图5可以看到，第一驱动部尺寸大于第二驱动部，其分布式压电复合梁驱动器的长度更长，可分布更多的压电片，负责关键位置的驱动变形。

在进一步的实施例中，如图所示，所述的约束横梁531为“z”形结构，且第二驱动部的底座的高度高于第一驱动部的底座的高度。

本发明中，涉及到的柔性材料有柔性梁533、波纹板536采用由增强材料和聚合物材料组成的复合材料，如环氧树脂和碳纤维组成的复合材料，柔性蒙皮6和波纹柔性蒙皮7采用橡胶材料，分布式压电复合梁驱动器中的压电片采用较高电力转化效率的压电材料，比如目前常用的锆钛酸铅材料，而分布式压电复合梁驱动器中的其他部件则选择常用的航空轻质材料即可。

本发明的使用原理：

以第一驱动部为例，驱动结构的初始状态如图6所示，此时储能弹簧处于拉伸状态，菱形位移放大器的顶角为锐角，分布式压电复合梁驱动器在没有外部电负载的情况下保持铅直状态，柔性梁处于紧绷状态。

当在压电片两侧施加电场驱动机翼顶部柔性蒙皮6向下运动时，需要将正电荷施加到右侧分布式压电复合梁驱动器的压电片裸面(即压电片与空气的接触面)上，并把负电荷施加到其压电片与基体梁的接触面，同时，将负电荷施加到左侧分布式压电复合梁驱动器上的压电片裸面上，并把正电荷施加至其压电片与基体梁的接触面，如图7所示，此时，两个分布式压电复合梁驱动器向外侧弯曲，导致菱形位移放大器横向对角线增大，纵向对角线减小，变形传递导杆向下移动，柔性梁释放紧绷状态的变形能后自然下降，储能弹簧继续向上拉，整个变形过程的位移变化及受力状态如图9所示。

当在压电片两侧施加电场驱动机翼顶部柔性蒙皮6向上运动时，需要将负电荷施加到右侧分布式压电复合梁驱动器上的压电片裸面上，并把正电荷施加到其压电片与基体梁的接触面，同时，将正电荷施加到左侧分布式压电复合梁驱动器上的压电片裸面上，并把负电荷施加至其压电片与基体梁的接触面时，如图8所示，此时，两个压电复合梁驱动器向内侧弯曲，导致菱形放大器水平对角线减小，竖直对角线增大，导杆向上移动，驱动柔性梁533向上发生变形，储能弹簧向下运动释放弹性势能助力变形，整个变形过程的位移变化及受力状态如图10所示。值得说明的是，当在压电片两侧施加电场时，尽管因为运动方向不同导致电压的方向不同，但电压的绝对值大小相等，目的是确保它们可以同步弯曲，避免损坏导杆。

图11给出了在机翼变形过程中的能量转换，除了变形过程中的能量损失，在向下驱动过程中，分布式压电复合梁驱动器在电压作用下所做的正功和柔性梁下落时损失的变形能大部分转化为储能弹簧的弹性势能；在向上驱动过程中，分布式压电复合梁驱动器在电压做的正功和储能弹簧缩短损失的弹性势大部分转化为机翼蒙皮的变形能。

对于压电驱动系统整体，在第一驱动部和第二驱动部的共同作用可以促进柔性结构变形的平滑性、稳定性和多样化，以适应不同的飞行环境。另一方面，对于变体机翼整体，在压电驱动系统、柔性蒙皮6以及波纹状柔性蒙皮7的共同作用下，柔性桁架承载系统可以根据载荷变化自适应地调整自身结构，并在调整稳定后为蒙皮提供一定的承载作用。当顶部柔性蒙皮6发生变化时，可以伸缩波纹状柔性蒙皮7，两者共同作用使机翼变形更加平滑稳定和易于变化。