一种各向异性的手性蜂窝结构

1.本发明涉及变体机翼技术领域，具体而言，尤其涉及一种各向异性的手性蜂窝结构。


背景技术：

2.随着战争的需求，战斗机经过了一代机到五代机的演变，对于未来战机的性能提出了更高的要求。战斗机在执行任务期间需要经过加速爬升，减速下降和加速下降三个阶段，不同阶段对飞机的气动性能提出了不同的要求。变体飞机这一概念应运而生，它能根据飞行环境变化和飞行任务需求自适应改变外形。作为飞机的重要气动结构，机翼承担了大部分的变形任务。为了更加优秀的气动性能，变体机翼的研究重点由五代机机翼的整体大范围机械式变形转向了机翼前后缘、翼尖的局部连续光滑变形。
3.变体机翼的重要组成部分是基于蜂窝结构的柔性蒙皮。变体机翼结构，在变形过程中要求机翼蒙皮有足够大的面外刚度来维持机翼的气动外形，同时要拥有尽可能小的面内刚度以降低变形过程中的驱动器输出力。
4.目前较为前沿的解决办法就是基于蜂窝结构的柔性蒙皮。该种蒙皮的性质主要依赖于蜂窝结构性质。普通蜂窝结构具有各向异性的优秀性能，但是往往表现出同种性质的泊松比，如箭型蜂窝，两个方向上都是负泊松比性质，而且面外刚度相对而言较低；而手性蜂窝的四韧带型和六韧带型虽然都具有较高的面外刚度，但是四韧带蜂窝在泊松比上表现出各向同性的性质，而六韧带蜂窝各个方向上的泊松比恒为-1。现有的单胞结构构成的蜂窝仅在一个方向上加载时存在优秀效应，另一方向上不具有良好性能。通过目前蜂窝结构所制备的柔性蒙皮往往只能实现变体机翼较为简单的变形，如单一的变展长、变后缘、变弦长等。简单变形实现变形功能较少，用途较为单一，较难满足实际需求和现实需要。同时，由于变形功能的限制，可能存在与其他部件难配合，难应用的情况，耐用度也会有所下降。


技术实现要素：

5.根据上述提出现有的单胞结构蜂窝仅在一个方向上加载时存在优秀效应，另一方向上不具有良好性能的技术问题，而提供一种各向异性的手性蜂窝结构。本发明的蜂窝结构实现了一个方向上为负泊松比，另一方向上为零泊松比的性能。同时突破了四韧带和六韧带手性蜂窝只有一个泊松比的限制。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种各向异性的手性蜂窝结构，包括由若干个在同一平面内周期性排列的胞元，所述胞元为中心对称结构，一个所述胞元包括韧带、四个第一通孔圆柱和四个第二通孔圆柱，四个所述第二通孔圆柱设置于第一通孔圆柱的内侧，所述韧带包括第一韧带、第二韧带、第三韧带、第四韧带和第五韧带；
8.在同一个胞元中，左上角的第一通孔圆柱的右侧与第一韧带相切连接，相切点为第一韧带的下端点，第一韧带的另一端与另一个胞元的第一通孔圆柱相切连接；左上角的
第一通孔圆柱的下侧与第二韧带相切连接，相切点为第二韧带的左端点，所述第二韧带的右端点与右上角的第一通孔圆柱的下侧相切连接；左上角的第一通孔圆柱的左下侧与第三韧带相切连接，相切点为第三韧带的中部；左上角的第二通孔圆柱的左下侧与第三韧带相切连接，相切点为第三韧带的下端点；所述第三韧带与水平线的夹角为α；左上角的第二通孔圆柱的下侧与第四韧带相切连接，相切点为第四韧带的右端点，所述第四韧带的左端点与另一个胞元的第二通孔圆柱的下侧相切连接；左上角的第二通孔圆柱的右侧与第五韧带相切连接，相切点为第五韧带的上端点，所述第五韧带的下端点与左上角的第二通孔圆柱的右侧相切连接。
9.进一步地，四个所述第一通孔圆柱的圆心所连接形成的图形为矩形，四个所述第二通孔圆柱的圆心所连接形成的图形为矩形。
10.进一步地，所述韧带的壁厚与韧带长度的比例小于1/5。
11.进一步地，所述韧带的截面为矩形。
12.进一步地，所述胞元的材质为不锈钢、尼龙或铝合金中的一种。
13.进一步地，所述蜂窝结构采用3d打印技术制作。
14.进一步地，当所述蜂窝结构发生形变时，所述第一通孔圆柱和第二通孔圆柱不发生形变，所述韧带发生弯曲形变和轴向形变使得所述第一通孔圆柱和第二通孔圆柱发生相对位移和转动。
15.进一步地，所述夹角α满足如下公式：
16.α＝arctan【(l
2-l3)/(l
1-l4)】
17.其中，l1为同一胞元中左上角的第一通孔圆柱与右上角的第一通孔圆柱的圆心距；l2为同一胞元中左上角的第一通孔圆柱与左下角的第一通孔圆柱的圆心距；l3为同一胞元中左上角的第二通孔圆柱与左下角的第二通孔圆柱的圆心距；l4为同一胞元中左上角的第二通孔圆柱与右上角的第二通孔圆柱的圆心距。
18.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.本发明的蜂窝结构具有较高的面外刚度，能够承载较大的气动载荷，保持机翼的气动外形。同时突破了手性蜂窝常见的四韧带和六韧带结构各向同性的限制，实现了在一个方向上具有零泊松比的性质，另一个方向上具有负泊松比的性质，能够实现机翼变形的复杂需求，能够机翼改善不同状态下的气动性能。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明蜂窝结构示意图。
22.图2为本发明单个胞元示意图。
23.图3为本发明在水平方向受力从而实现负泊松比的示意图。
24.图4为本发明在垂直方向受力从而实现零泊松比的示意图。
25.图5为本发明尺寸角度示意图。
26.图6为本发明作用机理示意图。
27.图7为图6中虚线部分示意图。
28.图8为图6中实线部分示意图。
29.图中：1、第一通孔圆柱；2、第二通孔圆柱；3、第一韧带；4、第二韧带；5、第三韧带；6、第四韧带；7、第五韧带。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
35.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并
且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
36.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
37.如图1-图4所示，本发明提供了一种各向异性的手性蜂窝结构，包括由若干个在同一平面内周期性排列的胞元，所述胞元为中心对称结构，一个所述胞元包括韧带、四个第一通孔圆柱1和四个第二通孔圆柱2，四个所述第二通孔圆柱2设置于第一通孔圆柱1的内侧，所述韧带包括第一韧带3、第二韧带4、第三韧带5、第四韧带6和第五韧带7；四个所述第一通孔圆柱1的圆心所连接形成的图形为矩形，四个所述第二通孔圆柱2的圆心所连接形成的图形为矩形。
38.在同一个胞元中，左上角的第一通孔圆柱1的右侧与第一韧带3相切连接，相切点为第一韧带3的下端点，第一韧带3的另一端与另一个胞元的第一通孔圆柱1相切连接；左上角的第一通孔圆柱1的下侧与第二韧带4相切连接，相切点为第二韧带4的左端点，所述第二韧带4的右端点与右上角的第一通孔圆柱1的下侧相切连接；左上角的第一通孔圆柱1的左下侧与第三韧带5相切连接，相切点为第三韧带5的中部；左上角的第二通孔圆柱2的左下侧与第三韧带5相切连接，相切点为第三韧带5的下端点；所述第三韧带5与水平线的夹角为α；左上角的第二通孔圆柱2的下侧与第四韧带6相切连接，相切点为第四韧带6的右端点，所述第四韧带6的左端点与另一个胞元的第二通孔圆柱2的下侧相切连接；左上角的第二通孔圆柱2的右侧与第五韧带7相切连接，相切点为第五韧带7的上端点，所述第五韧带7的下端点与左上角的第二通孔圆柱2的右侧相切连接。
39.图5中，夹角α满足如下公式：
40.α＝arctan【(l
2-l3)/(l
1-l4)】
41.其中，l1为同一胞元中左上角的第一通孔圆柱与右上角的第一通孔圆柱的圆心距；l2为同一胞元中左上角的第一通孔圆柱与左下角的第一通孔圆柱的圆心距；l3为同一胞元中左上角的第二通孔圆柱与左下角的第二通孔圆柱的圆心距；l4为同一胞元中左上角的第二通孔圆柱与右上角的第二通孔圆柱的圆心距。
42.所述韧带的壁厚与韧带长度的比例小于1/5。所述韧带的截面为矩形。所述胞元的材质为不锈钢、尼龙或铝合金中的一种。所述蜂窝结构采用3d打印技术制作。
43.本发明的理论依据如下：
44.根据卡氏第二定理，推导该结构面内的拉伸模量。假设蜂窝壁在受力作用时产生弯曲和轴向变形。卡氏第二定理通过对应变能u求外力fi的偏导，得到该力作用下的位移i，
[0045][0046]
将蜂窝壁的变形等效为悬臂梁的弯曲，其主要受到弯曲载荷m(x)和轴力fn(x)的作用，因此其应变能可以表示为：
[0047]
[0048]
本发明名称中，手性蜂窝结构的概念如下：手性对称广泛的存在于自然界和有机化学中，在多种学科中表示一种重要的对称特点。手性蜂窝结构即是根据这一对称特性命名的。在化学中，如果分子结构与其镜像不同，则其被称为“手性的”(chiral)，且分子结构的镜像是不能与原分子结构重合的，就如同人的左手和人的右手互为镜像却无法重叠在一起。可与其镜像叠合的物体被称为非手性的(achiral)。
[0049]
如图6-8所示，本发明的作用机理如下：当第二韧带4纵向受压时，第五韧带7会向内凹陷，呈现典型的负泊松比材料性质；但是当第五韧带7横向受压时，第二韧带4会向外突出，但是突出程度很小，表现出正泊松比材料的性质但是接近零泊松比，在结构的约束下，可以实现零泊松比。
[0050]
在先进飞行器中，存在着本发明的蜂窝结构的应用空间。如一种变体油箱机构，使用本本蜂窝结构复合材料替换蒙皮能够降低驱动器的输出力，降低机身重量，保持油箱外形并改善气动性能。又如一种柔性变形进气道，使用本蜂窝结构复合材料替换蒙皮能够降低驱动器的输出力，降低机身重量，保持进气道外形并改善气动性能和隐身性能等。
[0051]
表1为现有蜂窝结构的各项数据，可以看出现有的各种类型蜂窝，往往仅在一个特定方向上加载时存在优秀效应，或在两个方向上性质相同但相对较差。
[0052]
表1现有蜂窝泊松比表
[0053]
蜂窝名称杨氏模量e(mpa)泊松比ν星型(各向同性)12.08-0.237箭型(各向异性)22.47-1.268四韧带反向手性(各向异性)16.57-2六韧带反向手性(各向同性)21.32-1
[0054]
表2为本发明两个实施例的各项数据，可以看出过采用本发明的结构，可以实现xy方向上分别产生近似零泊松比和负泊松比的效果。
[0055]
表2本发明蜂窝泊松比表
[0056][0057]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种各向异性的手性蜂窝结构，其特征在于：包括由若干个在同一平面内周期性排列的胞元，所述胞元为中心对称结构，一个所述胞元包括韧带、四个第一通孔圆柱(1)和四个第二通孔圆柱(2)，四个所述第二通孔圆柱(2)设置于第一通孔圆柱(1)的内侧，所述韧带包括第一韧带(3)、第二韧带(4)、第三韧带(5)、第四韧带(6)和第五韧带(7)；在同一个胞元中，左上角的第一通孔圆柱(1)的右侧与第一韧带(3)相切连接，相切点为第一韧带(3)的下端点，第一韧带(3)的另一端与另一个胞元的第一通孔圆柱(1)相切连接；左上角的第一通孔圆柱(1)的下侧与第二韧带(4)相切连接，相切点为第二韧带(4)的左端点，所述第二韧带(4)的右端点与右上角的第一通孔圆柱(1)的下侧相切连接；左上角的第一通孔圆柱(1)的左下侧与第三韧带(5)相切连接，相切点为第三韧带(5)的中部；左上角的第二通孔圆柱(2)的左下侧与第三韧带(5)相切连接，相切点为第三韧带(5)的下端点；所述第三韧带(5)与水平线的夹角为α；左上角的第二通孔圆柱(2)的下侧与第四韧带(6)相切连接，相切点为第四韧带(6)的右端点，所述第四韧带(6)的左端点与另一个胞元的第二通孔圆柱(2)的下侧相切连接；左上角的第二通孔圆柱(2)的右侧与第五韧带(7)相切连接，相切点为第五韧带(7)的上端点，所述第五韧带(7)的下端点与左上角的第二通孔圆柱(2)的右侧相切连接。2.根据权利要求1所述的各向异性的手性蜂窝结构，其特征在于：四个所述第一通孔圆柱(1)的圆心所连接形成的图形为矩形，四个所述第二通孔圆柱(2)的圆心所连接形成的图形为矩形。3.根据权利要求1所述的各向异性的手性蜂窝结构，其特征在于：所述韧带的壁厚与韧带长度的比例小于1/5。4.根据权利要求1所述的各向异性的手性蜂窝结构，其特征在于：所述韧带的截面为矩形。5.根据权利要求1所述的各向异性的手性蜂窝结构，其特征在于：所述胞元的材质为不锈钢、尼龙或铝合金中的一种。6.根据权利要求1所述的各向异性的手性蜂窝结构，其特征在于：所述蜂窝结构采用3d打印技术制作。7.根据权利要求1所述的各向异性的手性蜂窝结构，其特征在于：当所述蜂窝结构发生形变时，所述第一通孔圆柱(1)和第二通孔圆柱(2)不发生形变，所述韧带发生弯曲形变和轴向形变使得所述第一通孔圆柱(1)和第二通孔圆柱(2)发生相对位移和转动。8.根据权利要求1所述的各向异性的手性蜂窝结构，其特征在于：所述夹角α满足如下公式：α＝arctan【(l
2-l3)/(l
1-l4)】其中，l1为同一胞元中左上角的第一通孔圆柱与右上角的第一通孔圆柱的圆心距；l2为同一胞元中左上角的第一通孔圆柱与左下角的第一通孔圆柱的圆心距；l3为同一胞元中左上角的第二通孔圆柱与左下角的第二通孔圆柱的圆心距；l4为同一胞元中左上角的第二通孔圆柱与右上角的第二通孔圆柱的圆心距。

技术总结
本发明提供一种各向异性的手性蜂窝结构，涉及变体机翼技术领域，包括由若干个在同一平面内周期性排列的胞元，所述胞元为中心对称结构，一个所述胞元包括韧带、四个第一通孔圆柱和四个第二通孔圆柱，四个所述第二通孔圆柱设置于第一通孔圆柱的内侧，所述韧带包括第一韧带、第二韧带、第三韧带、第四韧带和第五韧带。本发明的蜂窝结构具有较高的面外刚度，能够承载较大的气动载荷，保持机翼的气动外形。同时突破了手性蜂窝常见的四韧带和六韧带结构各向同性的限制，实现了在一个方向上具有零泊松比的性质，另一个方向上具有负泊松比的性质，能够实现机翼变形的复杂需求，能够机翼改善不同状态下的气动性能。同状态下的气动性能。同状态下的气动性能。


技术研发人员：勇佳豪 孙士勇 赵鹏禹 刘桐赫 王一博
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/6/28