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四角星形零泊松比蜂窝结构力学性能及其驱动方法研究
| 论文题名： | 四角星形零泊松比蜂窝结构力学性能及其驱动方法研究 |
| 关键词： | 水下滑翔机;蜂窝结构;零泊松比;气动肌肉纤维 |
| 摘要： | 传统的水下滑翔机的设计都是在单一工作任务和环境下对工作效率进行优化，很难保证在所有条件下都达到最优的工作效率，无法满足工作任务的多样性和适应复杂的工作环境。基于目前存在的局限性，可变形的机翼成为一项新的关键技术，它能够根据不同工作环境自适应调整自身结构，减轻能耗，在整个工作航程中都具有最佳的航行性能，还拥有多任务间机翼形态快速切换的能力。其中自适应支撑结构与高效的驱动装置一直是实现可变形机翼的重难点问题。蜂窝结构具备较高的面外刚度、较轻的质量以及优秀的力学性能可设计性，被众多研究者看作是机翼变形结构问题最有效的解决方案之一。基于可变形机翼目前存在的难点问题，本文提出了一种具有零泊松比效应的三维蜂窝结构，与作为驱动装置的气动肌肉纤维结合，设计了一种可主动变形的柔性蜂窝结构，并实现了多种连续变形方案。本文的相关研究成果为水下滑翔机的变形机翼开发提供了新的思路。 为了实现机翼变形时的自适应支撑，在前人研究的基础上对四角星形蜂窝结构进行了空间三维拓展，旨在实现蜂窝结构在空间三个主轴方向上的变形，并在变形全程都保持蜂窝的边界光滑连续性和良好的各向同性。本文首先对四角星形蜂窝结构的力学性能进行了理论分析、有限元数值分析和实验测试，验证了理论模型和有限元模型的正确性，讨论了蜂窝单胞几何尺寸参数对结构宏观力学性能的影响规律。通过有限元数值分析和实验测试验证了结构变形过程中的零泊松比效应，为蜂窝结构的应用选型及多目标优化提供了理论参考。 随着可变形机翼技术的发展，研究者开发出了不同的机翼变形方式。为了实现蜂窝结构在可变形机翼上的应用，本文结合气动肌肉纤维设计了柔性可变形蜂窝。针对气动肌肉纤维的变形位移和驱动力进行了试验研究，得到收缩率随输入气压的变化规律。通过进行驱动变形方案的设计与变形试验，对气动肌肉纤维的控制和压力调节，实现蜂窝结构的多种弯曲与收缩驱动变形，验证了柔性蜂窝结构多种变形的可行性，为蜂窝结构在水下滑翔机可变形机翼上的应用设计提供参考。 |
| 作者： | 张佩茹 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 谢芳 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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