一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧，涉及柔性蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，能夠在保證成本控制的情況下同時滿足柔性蒙皮所需要雙重特性。本發(fā)明包括：在二維平面中，金屬彈簧由曲線段和直線段間隔組成，且鄰近的兩個曲線段之間設(shè)置一個直線段，其中，曲線段為橢圓弧曲線；在由金屬彈簧組成的纖維增強體中，金屬彈簧排列成網(wǎng)格形式，其中，網(wǎng)格經(jīng)緯向纖維在金屬彈簧的直線段處交叉排列。金屬彈簧由高彈鋼材料制成。本發(fā)明適用于自適應(yīng)鼓包進氣道的柔性蒙皮。
【專利說明】
一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及柔性蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在飛行器的設(shè)計領(lǐng)域中，自適應(yīng)鼓包進氣道可以根據(jù)飛機飛行速度改變進 氣道鼓包型面的結(jié)構(gòu)形狀，調(diào)節(jié)進氣道喉道面積，在很大飛行速度范圍內(nèi)，都能保持良好的 氣動性能和進發(fā)匹配性能，提升高速飛行器的性能。因此自適應(yīng)鼓包的設(shè)計被廣泛應(yīng)用在 各種新型高速飛行器中。
[0003] 為實現(xiàn)自適應(yīng)進氣道的可變形功能，需要鼓包型面采用柔性蒙皮設(shè)計。該柔性蒙 皮需要滿足可以在較大范圍內(nèi)改變形狀，且能承受很大變形、具有足夠的強度的雙重特性， 同時為了能夠大規(guī)模生產(chǎn)，還需具有足夠的經(jīng)濟性，成本也不能太高。但目前可用的經(jīng)濟型 的柔性復(fù)合材料中，或是彈性變形大但抗拉伸強度不夠，如高分子材料纖維;或是抗拉伸強 度大但彈性變形不夠，例如碳纖維或玻璃纖維，都難以在保證成本控制的情況下同時滿足 柔性蒙皮所需要雙重特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的實施例提供一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧，能夠在保證成本控制的情況 下同時滿足柔性蒙皮所需要雙重特性。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術(shù)方案：
[0006] 在二維平面中，金屬彈簧由曲線段和直線段間隔組成，且鄰近的兩個曲線段之間 設(shè)置一個直線段，其中，曲線段為橢圓弧曲線;在由金屬彈簧組成的纖維增強體中，金屬彈 簧排列成網(wǎng)格形式，其中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處交叉排列。金屬彈簧由高 彈鋼材料制成。
[0007] 其中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸點通過焊接固定。或者 網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸點通過繞絲固定，其中，用于固定的繞 絲的截面直徑小于等于組成纖維增強體的金屬彈簧的截面直徑。
[0008] 所述纖維增強體的網(wǎng)格大小匹配柔性蒙皮的變形和面內(nèi)承載能力，組成纖維增強 體的金屬彈簧的彈簧波長符合所述纖維增強體的網(wǎng)格大小與匹配柔性蒙皮的變形和面內(nèi) 承載能力的匹配關(guān)系，用于表示匹配關(guān)系的彈性變形能力參數(shù)為
其中，彈 ， 簧總長L，波數(shù)n，橢圓弧曲線段的短半軸長a、長半軸長b、直線段長度1。
[0009] 金屬彈簧的拉伸剛度符啟
其中，K表示拉伸剛度，F(xiàn)表示極限承載力和△ L表 示彈性變形量。
[0010] 且在優(yōu)選方案中：組成纖維增強體的金屬彈簧的截面直徑為1mm，橢圓弧曲線段的 短半軸2.5mm長半軸為5mm?；蛘呓M成纖維增強體的金屬彈簧的截面直徑為1.26mm，橢圓弧 曲線段的短半軸3mm長半軸為5mm。
[0011] 本發(fā)明實施例提供的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，在二維平面中，金屬彈簧由曲線 段和直線段間隔組成，且鄰近的兩個曲線段之間設(shè)置一個直線段，其中，曲線段為橢圓弧曲 線。在由金屬彈簧組成的纖維增強體中，金屬彈簧排列成網(wǎng)格形式，其中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維 在金屬彈簧的直線段處交叉排列。根據(jù)如表1-3所示的實驗結(jié)果，該金屬彈簧作為柔性復(fù)合 材料蒙皮的增強纖維，解決了柔性復(fù)合材料蒙皮面內(nèi)變形大、承載高的問題，為自適應(yīng)鼓包 進氣道的柔性蒙皮設(shè)計提供了一種滿足高強度和高彈性的增強纖維，同時滿足柔性蒙皮對 增強纖維的高強度和高彈性要求，且金屬彈簧通過相對廉價的高彈鋼材料即可制成，從而 在保證成本控制的情況下同時滿足柔性蒙皮所需要雙重特性。
【附圖說明】
[0012] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的 附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附 圖。
[0013] 圖1為本發(fā)明實施例提供的金屬彈簧的形狀示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明實施例提供的金屬彈簧在拉伸狀態(tài)下的變形的形狀示意圖；
[0015] 圖3、圖4為本發(fā)明實施例提供的由金屬彈簧組成的纖維增強體的形狀示意圖；
[0016] 圖5、圖6為本發(fā)明實施例提供的具體實例的參數(shù)曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方 式對本發(fā)明作進一步詳細描述。下文中將詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示 例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類 似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能 解釋為對本發(fā)明的限制。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù) 語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同 的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù) 的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含 義來解釋。
[0018] 本發(fā)明實施例提供一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧，如圖1所示，在二維平面中，金 屬彈簧由曲線段和直線段間隔組成，且鄰近的兩個曲線段之間設(shè)置一個直線段，其中，曲線 段為橢圓弧曲線。
[0019] 在由金屬彈簧組成的纖維增強體中，金屬彈簧排列成如圖3所示的網(wǎng)格形式，其 中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處交叉排列。
[0020] 具體的，二維平面金屬彈簧由曲線段和直線段間隔組成，鄰近的兩個曲線段之間 有一個直線段，本設(shè)計中曲線段具體表現(xiàn)形式為橢圓弧曲線，如圖1所示?？紤]到纖維增強 體要排列成網(wǎng)格形式，金屬彈簧設(shè)計中需要直線段，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在直線段處交叉排列。 曲線段主要實現(xiàn)金屬彈簧的彈性變形，這種形狀設(shè)計提高了結(jié)構(gòu)本身的彈性能力，從而可 以改善現(xiàn)有纖維的彈性問題。
[0021] 在本實施例中，所述纖維增強體的網(wǎng)格大小匹配柔性蒙皮的變形和面內(nèi)承載能 力，組成纖維增強體的金屬彈簧的彈簧波長符合所述纖維增強體的網(wǎng)格大小與匹配柔性蒙 皮的變形和面內(nèi)承載能力的匹配關(guān)系，用于表示匹配關(guān)系的彈性變形能力參數(shù)為
?其中，彈簧總長L，波數(shù)n，橢圓弧曲線段的短半軸長a、長半軸長b、直線段 長度1。
[0022] 具體的，金屬彈簧在彈性范圍內(nèi)的變形能力和它的幾何參數(shù)有關(guān)。設(shè)計金屬彈簧 參數(shù)如圖1所示:彈簧總長L，波數(shù)n，弧形曲線段部分可以任意選取，這里以橢圓弧曲線段為 例，短半軸長a，長半軸長b，直線段長度1。當(dāng)金屬彈簧在彈性范圍內(nèi)工作時，主要變形由曲 線段實現(xiàn)，直線段不能伸長，變形能力與材料的物理參數(shù)、幾何參數(shù)有關(guān)，通過仿真分析方 法可得出金屬彈簧在彈性范圍內(nèi)的整體變形量，則其彈性變形能力可用式(1)表示： _]
(1)
[0024]根據(jù)柔性蒙皮的變形和面內(nèi)承載能力可以設(shè)計出與之相匹配的金屬彈簧增強纖 維的網(wǎng)格大小，由此確定金屬彈簧波長。
[0025]在本實施例中，金屬彈簧承載能力設(shè)計。為確保金屬彈簧受力后仍能恢復(fù)原形，即 變形在彈性范圍內(nèi)，需要確定金屬彈簧的極限承載能力。但由于金屬彈簧的形狀特殊，它在 變形過程中的力學(xué)行為較為復(fù)雜，本專利中只初步給出金屬彈簧的承載能力隨幾何參數(shù)變 化的一般規(guī)律:橢圓弧曲線段截面尺寸一定時，橢圓弧曲線段長短半軸之比b:a的值越小， 承載能力越強;橢圓弧曲線段長短半軸之比b:a的值不變時，橢圓弧曲線段截面尺寸越大， 承載能力越強。在工程實際應(yīng)用中，通常以材料的屈服強度作為材料抗力的指標，根據(jù)材料 屈服現(xiàn)象是否明顯，屈服強度可取屈服點的屈服值〇 s，或條件屈服強度〇0.2。
[0026] 根據(jù)以上所確定的金屬彈簧極限承載力F和彈性變形量AL，可由式(2)給出它的 拉伸剛度，即金屬彈簧的拉伸剛度符合= S其中，K表示拉伸剛度，F(xiàn)表示極限承載力和Δ ，. L表示彈性變形量。
[0027] 在本實施例了中，金屬彈簧由高彈鋼材料制成，并設(shè)計二維平面金屬彈簧，用于自 適應(yīng)鼓包進氣道柔性蒙皮的增強纖維，以滿足高彈性與高強度的要求。
[0028] 在本實施例中具體應(yīng)用中，參考某尺寸鼓包面外變形要求劃分鼓包型面網(wǎng)格大 小，取橢圓弧曲線段短半軸a = 3mm，長半軸b = 5mm，截面為實心圓，直徑d= 1mm，直線段長1 =2mm，波數(shù)η = 20，金屬彈簧模型總長L= 162mm。金屬彈簧材料選取碳素彈簧鋼絲，彈性模 量E = 206X 103MPa，由于碳素彈簧鋼絲屈服點非常不明顯，通常取鋼絲產(chǎn)生0.2%的殘余變 形時的應(yīng)力作為屈服極限。利用有限元軟件ABAQUS對該模型進行仿真，給出金屬彈簧的極 限承載力、彈性變形量，再由式（1)和式(2)給出彈性變形能力和拉伸剛度，結(jié)果如表1所示 的金屬彈簧的變形參數(shù)。
[0029]
[0030] 表 1
[0031] 金屬彈簧在彈性范圍內(nèi)的變形能力和承載能力與它的幾何參數(shù)和形狀參數(shù)有關(guān)。 分別設(shè)計幾何參數(shù)和形狀參數(shù)，通過有限元軟件進一步分析其中的規(guī)律。實施例金屬彈簧 形狀不變，改變其幾何參數(shù)，變形能力和承載能力會隨之變化。用橢圓弧曲線段短半軸長與 截面直徑比值的變化表征幾何參數(shù)的變化，變形參數(shù)如表2所示的金屬彈簧彈性變形隨幾 何參數(shù)變化。
[0032]
[0033] 表 2
[0034]其中，改變金屬彈簧幾何參數(shù)，當(dāng)金屬彈簧橢圓弧曲線段長短半軸之比b:a的值不 變時，橢圓弧曲線段截面尺寸越大，承載能力越強，而變形能力減弱。
[0035]實施例金屬彈簧幾何參數(shù)不變，改變其形狀，變形能力和承載能力會隨之變化。改 變橢圓弧曲線段形狀，即改變長半軸與短半軸比值，變形參數(shù)如表3所示的金屬彈簧彈性變 形隨形狀參數(shù)變化。
[0036]
[0037]
[0038] 表 3
[0039] 由表3可以看出，當(dāng)金屬彈簧橢圓弧曲線段截面尺寸一定時，橢圓弧曲線段長短半 軸之比b:a的值越小，變形能力減弱，承載能力大致呈現(xiàn)先增強后減弱的趨勢。
[0040] 在本實施例中，提供了一種組成纖維增強體的金屬彈簧結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方案，其中：組 成纖維增強體的金屬彈簧的截面直徑為lmm,橢圓弧曲線段的短半軸2.5mm長半軸為5_。
[0041] 可選的，在本實施例中，還提供了一種組成纖維增強體的金屬彈簧結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方 案，其中：組成纖維增強體的金屬彈簧的截面直徑為1.26mm，橢圓弧曲線段的短半軸3mm長 半軸為5mm。
[0042] 在本實施例的實際應(yīng)用中，金屬彈簧的力學(xué)特性可以參照如圖5所示的形狀參數(shù) 變化下的金屬彈簧彈性變形量和拉伸剛度，和圖6所示幾何參數(shù)變化下的金屬彈簧彈性變 形量和拉伸剛度。例如:如圖5所示，當(dāng)橢圓曲線段短半軸長小于1.5mm或大于3.5mm時，彈性 變形量和拉伸剛度的變化關(guān)系大致呈正相關(guān)性，即隨著參數(shù)變化，彈性變形量遞增(減），拉 伸剛度也是遞增(減）。其中，橢圓曲線段短半軸長在1.5mm和3.5mm之間的力學(xué)特性適合高 彈高強纖維特性。進一步的，如圖6所示，改變橢圓曲線段短半軸長或改變截面直徑，彈性變 形量和拉伸剛度的變化形式呈相反趨勢，即隨著橢圓曲線段短半軸長或截面直徑的增大， 拉伸剛度增大而彈性變形量變小。為了獲得高彈同時高強的要求，取兩曲線交點作為本實 施例的最優(yōu)解。即最優(yōu)解的橢圓曲線短半軸長在2.5mm左右，同時，長半軸長為5mm，截面直 徑為lmm;或者，最優(yōu)解的截面直徑約為1.26mm，同時橢圓曲線長半軸長為5mm，短半軸長為 3mm。需要說明的是，上述優(yōu)選方案并不代表本實施例在所有情況下的最優(yōu)解，具體還要根 據(jù)材料的屬性以及變形要求而定，但皆可參照本實施例的【具體實施方式】和實驗方法獲取， 可以理解為與本發(fā)明實施例的本質(zhì)相同的方案。
[0043] 進一步的，在本實施例中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸點 (例如:在圖3的基礎(chǔ)上，如圖4所示的)通過焊接固定。
[0044] 并列可選的，在本實施例中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸 點（例如：在圖3的基礎(chǔ)上，如圖4所示的）通過繞絲固定，其中，用于固定的繞絲的截面直徑 小于等于組成纖維增強體的金屬彈簧的截面直徑。
[0045] 本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部 分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于設(shè)備實 施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例 的部分說明即可。以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于 此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替 換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范 圍為準。
【主權(quán)項】
1. 一種用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，包括： 在二維平面中，金屬彈簧由曲線段和直線段間隔組成，且鄰近的兩個曲線段之間設(shè)置 一個直線段，其中，曲線段為橢圓弧曲線； 在由金屬彈簧組成的纖維增強體中，金屬彈簧排列成網(wǎng)格形式，其中，網(wǎng)格經(jīng)煒向纖維 在金屬彈簧的直線段處交叉排列。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，所述纖維增強體的網(wǎng) 格大小匹配柔性蒙皮的變形和面內(nèi)承載能力，組成纖維增強體的金屬彈簧的彈簧波長符合 所述纖維增強體的網(wǎng)格大小與匹配柔性蒙皮的變形和面內(nèi)承載能力的匹配關(guān)系，用于表示 匹配關(guān)系的彈性變形能力參數(shù)為實中，彈簧總長L，波數(shù)n，橢圓弧曲線段的短半軸長a、長半軸長b、直 線段長度1。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，組成纖維增強體的金 屬彈簧的截面直徑為lmm,橢圓弧曲線段的短半軸2.5mm長半軸為5mm。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，組成纖維增強體的金 屬彈簧的截面直徑為1.26mm，橢圓弧曲線段的短半軸3mm長半軸為5mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，金屬彈簧的拉伸剛度 p 符合其中，K表示拉伸剛度，F(xiàn)表示極限承載力和△ L表示彈性變形量。 ，.6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，金屬彈簧由高彈鋼材 料制成。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，網(wǎng)格經(jīng) 煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸點通過焊接固定。8. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的用于柔性蒙皮的金屬彈簧，其特征在于，網(wǎng)格經(jīng) 煒向纖維在金屬彈簧的直線段處的交叉接觸點通過繞絲固定，其中，用于固定的繞絲的截 面直徑小于等于組成纖維增強體的金屬彈簧的截面直徑。
【文檔編號】F16F1/02GK105864332SQ201610324139
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】周麗, 鄒婷婷, 邱濤
【申請人】南京航空航天大學(xué)