用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样及实验方法技术

本发明专利技术公开用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样及实验方法，涉及结构力学性能测试技术领域，拓扑优化结构与夹持结构通过3D打印技术一体成型，既能避免人工制备试样产生难以避免的制备误差，确保试样稳定性好，又能保证载荷传递路径的一致性，进一步地能够保证实验的一致性。夹持结构，能够有效地将试验机的拉伸载荷转换成拓扑优化结构所受剪切载荷，实现单胞剪切测试，得到了良好的实验结果，解决了变体飞行器柔性蒙皮结构剪切力学性能的测试。固定结构的安装、拆卸简单又便于操作，能够保证蒙皮优化结构剪切模量测量试样在装夹过程中没有带来初始变形，进一步提高了实验精度。

Specimen and experimental method for measuring shear modulus of flexible skin of variant aircraft

【技术实现步骤摘要】
用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样及实验方法
本专利技术涉及结构力学性能测试
，特别是涉及用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样及实验方法。
技术介绍
变体飞行器具有大空域范围的良好飞行性能，解决了传统飞行器只能实现单一设计点气动特性最优的问题，成为新一代航空航天飞行器突破性发展的基础。而柔性蒙皮作为变体机翼翼型面的重要变形部分，需要具有一定的柔性以实现不同翼型间的光滑转换，同时还要承受飞行过程中的气动载荷。基于胞状支撑结构的复合式柔性蒙皮是其中最有应用前景的方案，但通常以传统蜂窝结构或零泊松比结构作为支撑体，无法以最优的工作状态适用多种工作需求，所以需要针对柔性蒙皮胞状结构展开拓扑优化设计，得到不同载荷工况和约束条件下的变体飞行器柔性蒙皮最优胞状支撑体结构。拓扑优化设计理论的可行性和优化结果的有效性都必须通过相应的实验进行验证，现有技术中大都是针对轴向拉伸性能的测试，然而变体飞行器在实施变机翼后掠角、改变翼型弯度等任务时，柔性蒙皮都不仅仅承受轴向拉伸载荷的作用，蒙皮结构所受剪切力是可观的，因此仅进行轴向拉伸性能测试远远不够。基于拓扑优化技术设计的变体飞行器柔性蒙皮结构几何构型复杂，传统剪切力学实验方法无法获取其力学性能，现有技术中缺乏针对其剪切性能尤其是剪切弹性模量的测试手段和测试方法，无法充分验证拓扑优化结构的有效性，限制了拓扑优化蒙皮在变体飞行器领域的实际应用和发展。因此有必要提出一种柔性蒙皮拓扑结构剪切模量测量的试样及其相应的测试方法，实现蒙皮拓扑结构剪切性能的测试。r>
技术实现思路
为解决以上技术问题，本专利技术提供用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样及实验方法，便于在施工工地上移动。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样，包括拓扑优化结构、夹持结构和固定结构；所述夹持结构设置于所述拓扑优化结构周围；所述夹持结构包括两个以所述拓扑优化结构的几何中心点为对称中心设置的L型构件，且所述两个L型构件之间设置有第一间隔；所述固定结构设置于所述第一间隔处。可选的，所述拓扑优化结构通过以下方法得到：对设计域进行有限元网格划分，根据剪切载荷的分布和结构的约束，初始化剪切载荷和边界条件，基于固体各向同性材料惩罚方法，建立结构的差值模型，利用移动渐近线算法，对优化问题进行求解。可选的，所述L型构件的水平部的端部以及竖直部的外侧壁上分别设置有一限位孔。可选的，所述固定结构为块状体，所述块状体的两侧分别设置有一开槽，所述两个开槽之间为第一隔板；所述开槽的底部设置有一限位块；所述限位块的形状和位置与所述限位孔的形状和位置相匹配；所述第一隔板与所述第一间隔相匹配；可选的，所述拓扑优化结构与所述夹持结构为一体式结构。可选的，所述拓扑优化结构与所述夹持结构的厚度相同。可选的，所述拓扑优化结构与所述夹持结构采用相同材料制作。本专利技术还提供一种用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样的实验方法，包括以下步骤：第一步，将两件固定结构安装到试样上，使固定结构朝向拓扑优化结构的一侧与夹持结构的内表面相平齐；第二步，启动试验机，确保气动夹具正常工作，标定试验机并调零载荷传感器；第三步，将试样装夹到气动夹具上，通过位移控制的方法消除预紧力；第四步，拆卸两件固定结构；第五步，设置加载速度，试验机对试样进行拉伸，夹持结构传递并转换载荷；第六步，选择载荷-位移图的线性部分，结合拓扑优化结构的剪切方向面积和加载方向长度，得到应力应变并计算出剪切模量，实现对蒙皮拓扑结构剪切性能测量。本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：(1)柔性蒙皮剪切性能测量试样中的拓扑优化结构与夹持结构，通过3D打印技术一体成型，既能避免人工制备试样产生难以避免的制备误差，确保试样稳定性好，又能保证载荷传递路径的一致性，进一步地能够保证实验的一致性。(2)剪切试验件中的L型夹持结构，能够有效地将试验机的拉伸载荷转换成拓扑优化结构所受剪切载荷，实现单胞剪切测试，得到了良好的实验结果，解决了变体飞行器柔性蒙皮结构剪切力学性能的测试。(3)本专利技术中的试样中非等宽L型夹持结构的夹持端较宽，使拓扑优化结构远离试验机载荷作用区，保证试验机夹持载荷不影响拓扑优化结构中的应力，进一步地能够真实模拟结构实际承受剪切载荷的情形，具有较高的精度。(4)本专利技术中的固定结构的安装、拆卸简单又便于操作，能够保证蒙皮优化结构剪切模量测量试样在装夹过程中没有带来初始变形，进一步提高了实验精度。(5)本专利技术中的柔性蒙皮拓扑结构剪切模量测量的试样制备速度快，制备成本低，实验装置结构简单，使用操作简单方便。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是剪切模量测量试样的结构示意图；图2是固定结构的结构示意图；图3是固定结构的三视图；图4是固定结构安装在试样中的整体结构示意图。附图标记说明：1、拓扑优化结构；2、夹持结构；3、限位孔；4、固定结构；5、开槽；6、限位块。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。实施例一：如图1所示，用于变体飞行器柔性蒙皮拓扑结构剪切模量测量的试样由拓扑优化结构1和L型夹持结构2组成，一对L型夹持结构2关于拓扑优化结构1的几何中心称180度对称。在计算机辅助设计软件中建立测试试样三维模型，基于3D打印增材制造技术加工试样，设置材料填充率大于70％、选择结构内部填充图样为蜂巢线、设置喷头温度大于210℃和热床温度大于45℃并调节打印速度位于60-80mm/s，拓扑优化结构1和L型夹持结构2采用同种材料ePA一体成型。进一步的，在热床上粘贴高温胶带防止ePA材料打印过程中因冷却产生的翘边问题，并方便后续模型的脱模。L型夹持结构2左右两侧分别设有两个限位孔3，与固定结构4的限位块6匹配。固定结构4采取ABS材料，利用3D打印技术加工而成，如图2所示，固定结构4上下设有与L型夹持结构2形状相配合的开槽5，固定槽在固定结构4表面形成矩形开口，即开槽5，该开槽5宽度与L型夹持结构2的宽度相匹配。本专利技术需两件固定结构，关于拓扑优化结构的几何中心180度对称，对上下两件L型夹持结构进行固定。固定结构内设的限位块6，如图3所示，每件固定结构内设有两处限位块且成对称分布，与L型夹持结构2中的限位孔3配合，防止结构移动。采用以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样，其特征在于，包括拓扑优化结构、夹持结构和固定结构；/n所述夹持结构设置于所述拓扑优化结构周围；所述夹持结构包括两个以所述拓扑优化结构的几何中心点为对称中心设置的L型构件，且所述两个L型构件之间设置有第一间隔；所述固定结构设置于所述第一间隔处。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样，其特征在于，包括拓扑优化结构、夹持结构和固定结构；
所述夹持结构设置于所述拓扑优化结构周围；所述夹持结构包括两个以所述拓扑优化结构的几何中心点为对称中心设置的L型构件，且所述两个L型构件之间设置有第一间隔；所述固定结构设置于所述第一间隔处。


2.根据权利要求1所述的用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样，其特征在于，所述拓扑优化结构通过以下方法得到：对设计域进行有限元网格划分，根据剪切载荷的分布和结构的约束，初始化剪切载荷和边界条件，基于固体各向同性材料惩罚方法，建立结构的差值模型，利用移动渐近线算法，对优化问题进行求解。


3.根据权利要求1所述的用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样，其特征在于，所述L型构件的水平部的端部以及竖直部的外侧壁上分别设置有一限位孔。


4.根据权利要求3所述的用于变体飞行器柔性蒙皮剪切模量测量的试样，其特征在于，所述固定结构为块状体，所述块状体的两侧分别设置有一开槽，所述两个开槽之间为第一隔板；所述开槽的底部设置有一限位块；所述限位块的形状和位置与所述限位孔的形状和位置相匹配；所述第一隔板与所述第一间隔相匹配。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：常璐璐，王彬文，沈星，李杰锋，邓豪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32