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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2022, Vol. 56 Issue (3): 444-451, 509    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2022.03.003
机械工程、能源工程     
基于交叉簧片式铰链的变弯度机翼机构设计
徐钧恒1,2(),杨晓钧1,*(),李兵1
1. 哈尔滨工业大学（深圳） 机电工程与自动化学院，深圳 518000
2. 上海宇航系统工程研究所，上海 201108
Design of wing mechanism with variable camber based on cross-spring flexural pivots
Jun-heng XU1,2(),Xiao-jun YANG1,*(),Bing LI1
1. School of Mechanical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518000, China
2. Shanghai Institute of Aerospace System Engineering, Shanghai 201108, China
 全文: PDF(1444 KB)   HTML
摘要：

为了研究机翼弦向连续变弯度的设计问题，提出由柔性后缘机构与刚性连杆驱动机构组成的机翼变弯度设计方案以及建模分析方法. 基于交叉簧片式柔性铰链设计机翼机构构型. 采用链式梁约束建模方法，建立柔性后缘机构的理论力学模型，得到其受力和变形的关系，并利用有限元仿真对理论力学模型进行验证. 在力学模型的基础上，采用NSGA-II多目标遗传算法优化机翼机构的相关尺寸参数，提升机翼的气动特性. 经优化，机翼巡航阶段的升阻比提升1.09%，起降阶段的升力系数提高2.54%. 经实验验证了设计的变弯度机翼机构变弯度的精度和变弯度的范围.
关键词： 变弯度机翼;  柔性机构;  链式梁约束建模方法;  多目标优化;  气动性能    
Abstract:

In order to design airfoil mechanism with continuous variable camber, a morphing wing structure and modeling analysis was proposed by using flexible trailing edge mechanism and rigid connecting rod driving mechanism. The wing mechanism was based on cross-spring flexural pivots. The theoretical mechanics model of the flexible trailing edge mechanism was established by using chained beam constraint model, and the relationship between the force and deformation of the mechanism was also obtained. Then, compared the theoretical mechanics model with finite element model. On the basis of the mechanical model, In order to improve the aerodynamic characteristics of the wing mechanism, NSGA-II multi-objective genetic algorithm was used to optimize the dimension parameters of the mechanism. After optimization, the lift-drag ratio of the morphing wing in cruise stage is increased by 1.09%, and the lift coefficient in takeoff stage is increased by 2.54%. The deformation precision and deformation range of the airfoil mechanism were tested by experiments.
Key words: variable camber wing    flexible mechanism    chained beam constraint model    multi-objective optimization    aerodynamic performance
收稿日期: 2021-04-21 出版日期: 2022-03-29
CLC:  V 224  
基金资助: 深圳市国际合作研究资助项目（GJHZ20170313113529978）
通讯作者: 杨晓钧     E-mail: xujunheng0704@163.com;yangxiaojun@hit.edu.cn
作者简介: 徐钧恒（1996—），男，硕士生，从事机器人机构学方面的研究. orcid.org/0000-0002-6936-6831. E-mail： xujunheng0704@163.com
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徐钧恒
杨晓钧
李兵

引用本文:

徐钧恒,杨晓钧,李兵. 基于交叉簧片式铰链的变弯度机翼机构设计[J]. 浙江大学学报(工学版), 2022, 56(3): 444-451, 509.

Jun-heng XU,Xiao-jun YANG,Bing LI. Design of wing mechanism with variable camber based on cross-spring flexural pivots. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2022, 56(3): 444-451, 509.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2022.03.003    或    https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2022/V56/I3/444

图 1  机翼布局示意图
图 2  变弯度机翼的整体示意图
图 3  机翼柔性后缘及子单元
图 4  驱动机构模型图
图 5  柔性后缘子单元参数定义
图 6  柔性后缘受力示意图
图 7  子单元受力与变形示意图
子单元编号 L/mm T/mm W/mm λ α/（°）
1 55.43 3.000 15 0.127 30
2 44.34 2.400 15 0.127 30
3 35.47 1.920 15 0.127 30
4 28.38 1.536 15 0.127 30
表 1  柔性后缘子单元的形状几何参数
图 8  柔性后缘受弯矩时结果比较
图 9  柔性后缘受纵向载荷时结果比较
图 10  优化算法流程图
图 11  优化结果示意图
图 12  优化后设计点处翼型图
飞行阶段 θ1/(°) θ2/(°) θ3/(°) θ4/(°) Fx/N Fy/N
状态1）不考虑气动力
状态1）考虑气动力
状态2）不考虑气动力
状态2）考虑气动力 		2.3 1.2 2.0 3.8 0 5.8
2.0 1.6 2.5 2.8 ?198 46.0
4.6 2.5 4.0 7.5 0 12.0
4.6 2.6 4.0 9.2 ?58 26.0
表 2  优化设计变量结果
图 13  驱动机构简图
图 14  机翼后缘运动轨迹图
图 15  变弯度机翼实验平台
图 16  变形精度实验结果
图 17  变形范围实验结果
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