一种枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构
| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202211069866.9 | 申请日 | 2022-09-02 |
| 公开(公告)号 | CN115352616B | 公开(公告)日 | 2025-04-18 |
| 申请人 | 南京航空航天大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 周丽; 赵畅; 邱涛; | 第一发明人 | 周丽 |
| 权利人 | 南京航空航天大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 南京航空航天大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：江苏省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：江苏省南京市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：江苏省南京市秦淮区御道街29号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：210016 |
| 主IPC国际分类 | B64C1/00 | 所有IPC国际分类 | B64C1/00 |
| 专利引用数量 | 2 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 4 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 江苏圣典律师事务所 | 专利代理人 | 王慧颖; |
| 摘要 | 本 发明 公开了一种枣核形单胞的双层可 变形 蜂窝结构，属于变体飞机柔性结构设计领域，枣核形单胞由弹性单元组成，弹性单元上有处于不同层面的弯曲板；不同层面的弯曲板向不同方向弯曲，将相邻弹性单元上相同层面的弯曲板端部 焊接 在一起，形成枣核形单胞；根据相同层面上弯曲板的弯曲方向不同，可以组成不同形状的单胞结构，包括直连枣核形单胞和斜连枣核形单胞。单胞结构可以方便地复制和组合，形成双层或三层可变形蜂窝结构。枣核形单胞面内可实现较大的伸缩变形、面外抗弯能 力 强，单元易复制，可组合成多种柔性可变形结构，形成的可变形蜂窝结构可设计性强，便于加工。 | ||
| 权利要求 | 1.一种枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构，其特征在于，所述的枣核形单胞由弹性单元组成，弹性单元上包括连接板以及连接板上下两端的弯曲板， |
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| 说明书全文 | 一种枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构技术领域[0001] 本发明属于变体飞机柔性结构设计领域，具体涉及一种枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构。 背景技术[0002] 变体飞机可以在飞行过程中实时改变飞机结构的形状，以便在宽速域范围内不同飞行状态下都具有最佳的气动性能。柔性结构是实现飞机变体的关键之一，其技术难点体现在以下几个方面：1、结构的外形要能柔顺光滑地变化，特别是翼面结构在面内要发生很大的变形；2、柔性结构要有足够的面外刚度，承受气动载荷。因此，柔性结构设计技术近期受到广泛关注。 发明内容[0004] 本发明针对上述技术缺陷，提出一种枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构，枣核形单胞面内可实现较大的伸缩变形、面外抗弯能力强，单元易复制，可组合成多种柔性可变形结构，形成的可变形蜂窝结构可设计性强，便于加工。 [0005] 本发明是这样实现的： [0006] 一种枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构，其特征在于，所述的枣核形单胞由弹性单元组成，弹性单元上包括连接板以及连接板上下两端的弯曲板，即按上下顺序分为三段，中间一段为连接板，连接板上面一段是上端，连接板下面一段是下端；所述的弯曲板又包括处于不同层面的弯曲板；不同层面的弯曲板向不同方向弯曲，但不同层面的弯曲板均垂直于弯曲板板面； [0007] 将左上、左下、右上、右下四个相邻弹性单元上相同层面的弯曲板端部焊接在一起，形成一个枣核形单胞结构；按照弹性单元相同层面上弯曲板的弯曲方向不同，可以形成斜连枣核形单胞和直连枣核形单胞； [0008] 所述的斜连枣核形单胞的上端下层和下端上层两块弯曲板向一侧弯曲，上端上层和下端下层两块弯曲板向另一侧弯曲，采取交错弯曲方式；一个斜连枣核形单胞由四个弹性单元组成，多个斜连枣核形单胞复制扩展成双层可变形蜂窝结构；左上弹性单元为上端下层和下端上层向左偏，上端上层和下端下层向右偏；右上弹性单元为上端上层和下端下层向左偏，上端下层和下端上层向右偏；右下弹性单元为上端下层和下端上层向左偏，上端上层和下端下层向右偏；左下弹性单元为上端上层和下端下层向左偏，上端下层和下端上层向右偏。 [0009] 所述的直连枣核形单胞弯曲板的弯曲方式为同一层向同侧弯曲，即上端中层和下端中层两块弯曲板向一侧弯曲，上端上层、下端上层、上端下层和下端下层四块弯曲板向另一侧弯曲；一个直连枣核形单胞由四个弹性单元组成，多个直连枣核形单胞复制扩展成三层可变形蜂窝结构；左上弹性单元为连接板上端中层和连接板下端中层向左偏，上层和下层均向右偏；右上弹性单元为中层向右偏，上层和下层向左偏；右下弹性单元为中层向左偏，上层和下层向右偏；左下弹性单元为中层向右偏，上层和下层向左偏；所述的斜连枣核形单胞的上端下层和下端上层两块弯曲板向一侧弯曲，上端上层和下端下层两块弯曲板向另一侧弯曲，采取交错弯曲方式。 [0010] 进一步，形成枣核形单胞的弹性单元包括连接板、与连接板上下两端连接的弯曲板、弯曲板上的切缝以及弯曲板的根部的止裂孔；弹性单元长为a+2b,宽为h，其中a为连接板的长度，b是上下两端弯曲板的长度；在弯曲板宽度方向的h/2处形成长度b、宽度为d的切缝，切缝的长度与弯曲板的长度相等，将弯曲板切开，构成上下两个层面的弯曲板，即上层弯曲板、下层弯曲板；或者在弯曲板宽度方向1/4h处和3/4 h处形成两条长度b、宽度为d的切缝，将弯曲板切开，构成上中下三个层面的弯曲板，即上层弯曲板、下层弯曲板、中层弯曲板；止裂孔的直径D为切缝宽度d的3倍以上；相邻弹性单元的弯曲板端部焊接构成单胞。 [0011] 进一步，所述的枣核形单胞进行周期性排列，即可得到两种基于枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构；基于斜连枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构为：上层蜂窝是一个完整的平面；完整的一个枣核形单胞的右上弹性单元是右上相邻一个枣核形单胞的左下弹性单元，完整的一个枣核形单胞的右下弹性单元是右下相邻一个枣核形单胞的左上弹性单元；基于直连枣核形单胞的可变形蜂窝结构为：上层蜂窝结构与中层蜂窝结构存在间隔的高度差，即一排高一排低的排列方式。 [0012] 进一步，在连接板处受到面内载荷使枣核形单胞弯曲板形状发生变化，由此实现基于枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构的面内变形；由于斜连枣核形单胞的弯曲板交错弯曲，上层和下层之间的弯矩自然平衡，而直连枣核形单胞因为同一层往同侧弯曲，层面之间存在高度差会产生弯矩，若分为上下两层，结构自身无法平衡，因此将直连枣核形单胞设置为三层以平衡弯矩；受面外载荷作用时，各弯曲板与连接板的立面提供面外刚度；通过调整弹性单元弯曲板的长度b，弹性单元的宽度h，连接板和弯曲板的厚度t，改变枣核形单胞的变形效果与承载能力，最终得到具有良好面外承载能力且面内变形效果好的可变形蜂窝结构。 [0013] 本发明与现有技术的有益效果在于： [0014] 本发明的直连枣核形单胞结构采用三层结构，斜连枣核形单胞结构是双层结构。两种结构相同层面上弯曲板的弯曲方向不同。单胞是由弹性单元构成的。斜连枣核形单胞： 上端下层和下端上层两块弯曲板向一侧弯曲，上端上层和下端下层两块弯曲板向另一侧弯曲，采取交错弯曲方式。直连枣核形单胞：弯曲板的弯曲方式为同一层向同侧弯曲，即上端中层和下端中层两块弯曲板向一侧弯曲，上端上层、下端上层、上端下层和下端下层四块弯曲板向另一侧弯曲。该结构解决了变体飞机柔性结构设计面临的面内变形和面外承载间的矛盾。 [0015] 本发明可组合成多种柔性可变形结构，可设计性强，便于加工。本发明该可变形蜂窝结构面内可实现较大的伸缩变形并且面外抗弯能力强，且该可变形蜂窝结构单胞之间结构连接自然，加工方式简单，参数可设计性强。附图说明 [0016] 图1 斜连枣核形单胞弹性单元示意图； [0017] 图2 直连枣核形单胞弹性单元示意图； [0018] 图3斜连枣核形单胞的可变形蜂窝结构示意图； [0019] 图4直连枣核形单胞的可变形蜂窝结构示意图； [0020] 其中，1‑上层弯曲板、2‑下层弯曲板、3‑连接板、4‑切缝、5‑止裂孔，6‑中层弯曲板，7‑斜连枣核形单胞，8‑直连枣核形单胞。 具体实施方式[0021] 为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0022] 如图1所示，本发明的基于枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构，所述的枣核形单胞由弹性单元组成，弹性单元上包括连接板以及连接板上下两端的弯曲板，即按上下顺序分为三段，中间一段为连接板，连接板上面一段是上端，连接板下面一段是下端；所述的弯曲板又包括处于不同层面的弯曲板；不同层面的弯曲板向不同方向（垂直于板面）弯曲，将相邻弹性单元上相同层面的弯曲板端部焊接在一起，形成枣核形单胞；根据相同层面上弯曲板的弯曲方向不同，可以组成不同形状的单胞结构，包括直连枣核形单胞和斜连枣核形单胞。单胞结构可以方便地复制和组合，形成双层或三层可变形蜂窝结构。 [0023] 形成枣核形单胞的弹性单元包括连接板3、与连接板3上下两端连接的弯曲板、弯曲板上的切缝4以及弯曲板的根部的止裂孔5；弹性单元长为a+2b,宽为h，其中a为连接板3的长度，b是上下两端弯曲板的长度；在弯曲板宽度方向的h/2处形成长度b、宽度为d的切缝4，将弯曲板切开，构成上下两个层面的弯曲板，即上层弯曲板1、下层弯曲板2，图1中左边的为下层，右边的为上层。 [0024] 或者在弯曲板宽度方向1/4h处和3/4 h处形成两条长度b、宽度为d的切缝4，将弯曲板切开，构成上中下三个层面的弯曲板，即上层弯曲板1、下层弯曲板2、中层弯曲板6，图2中左边的为下层，中间的为中层，右边的为上层；弯曲板与连接板交界处（即弯曲板的底部）设置止裂孔，止裂孔的直径D为切缝宽度d的3倍以上。相邻弹性单元的弯曲板端部焊接构成单胞，按照弹性单元相同层面上弯曲板的弯曲方向不同，可以形成斜连枣核形单胞结构和直连枣核形单胞结构。 [0025] 图1为形成斜连枣核形单胞结构的弹性单元示意图。弹性单元长为a+2b,宽为h，中间切缝的长度为b、宽度为d，形成上下两层，左为下层，右为上层，连接板长度为a，弯曲板长度为b。上端下层和下端上层两块弯曲板向一侧弯曲，上端上层和下端下层两块弯曲板向另一侧弯曲，采取交错弯曲方式，如图1右图所示。 [0026] 图2为形成直连枣核形单胞结构的弹性单元示意图。弹性单元长为a+2b,宽为h，其中连接板长度为a，弯曲板长度为b。在距弹性平板左右两侧1/4h处设置两条长度为b、宽度为d的切缝，形成上中下三层，左为下层，中间为中层，右为上层，弯曲板的弯曲方式为同一层向同侧弯曲，即上端中层和下端中层两块弯曲板向一侧弯曲，上端上层、下端上层、上端下层和下端下层四块弯曲板向另一侧弯曲，如图2右图所示。 [0027] 将相邻弹性单元上相同层面相应位置的弯曲板端部焊接在一起，即可得到枣核形单胞结构。斜连枣核形单胞如图3所示，由四个弹性单元组成，可复制扩展成双层可变形蜂窝结构。左上弹性单元为上端下层和下端上层向左偏，上端上层和下端下层向右偏；右上弹性单元为上端上层和下端下层向左偏，上端下层和下端上层向右偏；右下弹性单元为上端下层和下端上层向左偏，上端上层和下端下层向右偏；左下弹性单元为上端上层和下端下层向左偏，上端下层和下端上层向右偏。直连枣核形单胞如图4所示，也由四个弹性单元组成，可复制扩展成三层可变形蜂窝结构。左上弹性单元为上端中层和下端中层向左偏，上层和下层均向右偏；右上弹性单元为中层向右偏，上层和下层向左偏；右下弹性单元为中层向左偏，上层和下层向右偏；左下弹性单元为中层向右偏，上层和下层向左偏。枣核形单胞中左上、右上、右下、左下四个弹性单元在相同层面相应位置的弯曲板端部处依次焊接在一起，形成枣核形单胞结构。 [0028] 将枣核形单胞进行周期性排列，即可得到两种基于枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构。基于斜连枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构如图3所示，选取三个斜连枣核形单胞从左至右排列组成，上层用实线示出，下层用虚线示出。斜连的特点是：上层蜂窝是一个完整的平面；完整的一个枣核形单胞的右上弹性单元是右上相邻一个枣核形单胞的左下弹性单元，完整的一个枣核形单胞的右下弹性单元是右下相邻一个枣核形单胞的左上弹性单元。基于直连枣核形单胞的可变形蜂窝结构如图4所示，同样选取三个直连枣核形单胞从左至右排列组成，上层用实线示出，下层用虚线示出。直连的特点是：上层蜂窝结构与中层蜂窝结构存在间隔的高度差（一排高一排低的排列方式）。 [0029] 在连接板处受到面内载荷使枣核形单胞弯曲板形状发生变化，由此实现基于枣核形单胞的双层可变形蜂窝结构的面内变形。由于斜连枣核形单胞的弯曲板交错弯曲，上层和下层之间的弯矩自然平衡，而直连枣核形单胞因为同一层往同侧弯曲，层面之间存在高度差会产生弯矩，若分为上下两层，结构自身无法平衡，因此将直连枣核形单胞设置为三层以平衡弯矩。受面外载荷作用时，各弯曲板与连接板的立面提供面外刚度。通过调整弹性单元弯曲板的长度b，弹性单元的宽度h，板的厚度t，改变枣核形单胞的变形效果与承载能力，最终得到具有良好面外承载能力且面内变形效果好的可变形蜂窝结构。 [0030] 以下列举具体的数据对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。 [0031] 在本实施例中，假定可变形蜂窝的长L=150mm，宽W=100mm，高H=8mm。要求可变形蜂窝的面内变形量达到20%。 [0032] 根据上述要求，假定弹性单元尺寸如下：弯曲板长度b=5mm，连接板长度a=5mm，切缝宽度d=0.1mm，止裂孔直径D=0.5mm，宽度h=8mm，板厚度t=0.2mm。将相邻弹性单元上相同层面相应位置的弯曲板端部焊接在一起，即可得到枣核形单胞结构。分别将直连枣核形单胞和斜连枣核形单胞进行周期性排列，即可得到两种基于枣核形单胞的可变形蜂窝结构。 [0033] 可变形蜂窝结构的变形方向为宽W的方向。在选取上述弹性单元尺寸的情况下，每个枣核形单胞的当量长度为30mm，当量宽度为4mm，因此可变形蜂窝共有五排二十五列，每一排包含二十五个枣核形单胞，每一列包含五个枣核形单胞。按给定尺寸加工，每个单胞的变形量为2mm，则可变形蜂窝的总体变形量为50mm，因此可变形蜂窝结构的最大变形量可以达到50%。 [0034] 通过调整弹性单元弯曲板的长度b，板的厚度t，可以改变枣核形单胞的变形能力。调整弹性单元的宽度h，板的厚度t，可以改变枣核形单胞的承载能力。由此得到具有不同变形和承载效果的可变形蜂窝结构，满足各种不同的设计需求。 [0035] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。 |
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