張 平

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 國家級工業(yè)設計中心， 安徽 合肥 230088)

一種可伸縮充壓管驅動元件及其應用研究*

張 平1，2

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 國家級工業(yè)設計中心， 安徽 合肥 230088)

自適應技術被認為是提高傳感器飛行器續(xù)航能力的有效途徑之一，而驅動器是自適應結構可以實施的保障。文中提出了一種“驅動件即結構件”的可伸縮充壓管驅動元件，具有驅動和承載雙重作用。建立了可伸縮充壓管的力學模型并推導得到等效剛度的簡化公式。將充壓管驅動器應用到某自適應機翼結構中，對機翼在氣流擾動下的振動變形進行了仿真。結果表明可伸縮充壓管可以產生足夠的驅動力和驅動位移，同時可以為自適應結構提供有效的剛度支撐。

傳感器飛行器；自適應技術；可伸縮充壓管

引 言

自適應技術可以實現(xiàn)翼型彎度、厚度等重要參數(shù)的實時調節(jié)，提高飛行器整個飛行包線內的氣動效率，在先進傳感器飛行器中有著重要的應用前景[1-3]。而驅動裝置是自適應變形的保障，研究人員普遍認為適合自適應結構的驅動器需要滿足重量輕、可以提供較大的驅動力和位移等要求[4-5]。

傳統(tǒng)的驅動方法有液壓、電機驅動等[6-7]，液壓驅動可以輸出較大的力和位移，但是作動筒重量大；電機驅動結構重量較小，但是功率體積比不高且工作可靠性有待加強。近年來，新式驅動器如壓電堆積、超聲電機、SMA驅動器得到了廣泛研究，壓電驅動結構輕、驅動力大[8]，但是驅動位移小，將壓電效應與機械振動結合的超聲電機克服了驅動位移不足的缺點，目前在很多領域得到了應用，還需解決輸出功率小以及使用壽命短等問題。SMA驅動具備較高的輸出功率體積比[9]，由于材料對溫度敏感，實際環(huán)境下不易控制。

綜合考慮驅動效率、變形控制以及驅動力和位移，傳統(tǒng)液壓驅動在自適應機翼設計中仍然具有工程應用空間。尤其對于尺寸較大的無人飛行器，一般自帶液壓源，只要能夠控制驅動元件的重量，對整個飛行器附加重量的影響是可以接受的。而常規(guī)的集中式剛性液壓作動筒的重量顯然難以滿足要求。

本文通過結構靈巧設計，提出了一種“驅動件即結構件”的可伸縮充壓管，具有重量輕、可輸出較大驅動力和位移的特點。此外，該驅動元件還可以提供軸向剛度，用在自適應機翼上，可以抵抗可變形結構的振動變形。給出了該可伸縮充壓管的結構方案和工作原理，建立了其等效剛度分析模型，并推導了等效軸向剛度的計算公式。將該可伸縮充壓管陣列應用于某后緣變彎度機翼中并對后者的變形效果進行了仿真，結果顯示該可伸縮充壓管可以產生足夠的驅動變形，同時可以有效地抑制機翼后緣在氣流中的振動變形。

1 可伸縮充壓管結構方案

可伸縮充壓管方案如圖1所示，單個充壓管組成包括橡膠管芯、鋁合金內/外套管、管口閥芯等。多個充壓管可以通過閥芯與連接器相連，實現(xiàn)并聯(lián)和串聯(lián)分布。

圖1 可伸縮充壓管結構示意圖

當膠管內增壓后，由于鋁合金套管限制了膠管的徑向膨脹，膠管只能沿著軸向變形，帶動鋁合金套管滑動變形，使得整個充壓管產生伸長變形。為了實現(xiàn)雙向驅動變形，可以在膠管內預先充有一定的油壓，使得管長由自然長度達到工作初始長度，在工作初始長度下，通過加壓或減壓可以實現(xiàn)充壓管雙向約10%的變形量。

2 充壓管等效剛度模型及分析

2.1 等效剛度模型

對可伸縮充壓管進行建模，如圖2所示，包括液柱、膠管壁和剛性套管壁3層。主要參數(shù)包括油液有效體積模量βe，套管壁厚ts，膠管的拉伸模量Et、壓縮模量Ec，泊松比ν。在自然狀態(tài)下膠管長L0，壁厚t0，內徑為d0。

圖2 可伸縮充壓管模型及參數(shù)

充壓管在工作狀態(tài)下，管內壓力為p，套管端部受到支反力F作用，結構處于平衡狀態(tài)。此時膠管的長度增加至L，壁厚為t，內徑為d。由于套管的徑向約束，幾何參數(shù)滿足d+ 2t=d0+ 2t0。

2.2 等效剛度推導

在圖3所示的平衡狀態(tài)下，假設充壓管端套沿軸向受到較小的壓力增量ΔF，使得管長減小ΔL，油液壓力增加Δp，如圖3所示，則充壓管的等效抗壓剛度可以表示為Kc=ΔF/ΔL。通過取隔離體分析，對等效抗壓剛度進行推導。

圖3 可伸縮充壓管等效抗壓剛度分析

對于充壓管，不考慮套管與膠管之間的摩擦，外力增量引起的平衡條件滿足：

(1)

對于膠管內液柱，壓力增加Δp，體積增加ΔV，與有效體積模量βe滿足：

(2)

式中，V為封閉油液的體積，滿足V≈Lπd2/4。

在Δp作用下，膠管壁產生變形，其中側壁厚度減小Δt1，端壁厚度減小Δt2，則：

(3)

將式(3)代入式(2)得：

(4)

對于膠管的端壁，其厚度變化Δt2與壓力增量Δp滿足：

(5)

對于膠管的側壁，取微元體，在Δp作用下，其應力增量滿足平衡：

(6)

式中：軸向應變增量Δεl=ΔL/L；徑向應變增量Δσr=Δp，Δεr=Δt1/t；膠管環(huán)向應變增量Δεθ≈0，代入式(6)得：

(7)

將式(5)和式(7)代入式(4)得：

(8)

將式(8)代入式(1)，再根據(jù)充壓管等效抗壓剛度的定義得到：

充壓管在工作狀態(tài)下油壓一般在2～8 MPa范圍內，在該壓力下，橡膠壓縮模量Ec與βe相比不能忽略，且二者都比Et大很多，因此等效抗壓剛度可以簡化為：

(9)

對于油液有效體積模量βe，文獻[10]給出了某航空常用液壓油在常溫、2%含氣量下，βe與油壓p的試驗擬合曲線，滿足：

βe=f(p)=0.43p3-18.6p2+268.6p-10

代入式(9)可得Kc和p的關系曲線，如圖4所示。

圖4 充壓管等效抗壓剛度隨油壓變化關系

在不考慮膠管層時，即液壓油直接與剛性器壁接觸，充壓管的等效抗壓剛度主要由油液的βe決定；而考慮膠管壁的影響后，等效抗壓剛度發(fā)生了明顯的折減。

3 充壓管在自適應機翼中的應用分析

3.1 某自適應機翼構型

圖5給出了一種自適應機翼構型方案，由單塊式機翼盒段和自適應后緣組成，利用后緣的光順變形，可以調節(jié)翼型彎度。

在自適應后緣內部塞滿輕質、可變形的填充物，將可伸縮充壓管埋入填充物上下表面，兩端與縱筋相連，沿著展向形成陣列結構，實現(xiàn)后緣的分布式驅動。

圖5 某自適應機翼構型方案

充壓管采用彈簧單元建模，彈性系數(shù)與壓力有關，仿真分析時，在驅動后緣變形時，油路打開，此時充壓管不能當作結構件，彈簧單元不被激活；當變形到目標位置后，油路關閉，此時充壓管可以當作承壓結構件，彈簧單元激活。計算出管內壓力，由式(9)可得充壓管的彈性系數(shù)。

3.2 自適應后緣振動變形分析

擾動載荷作用1.5 s后釋放，結構阻尼取為0.03。圖6為機翼后緣驅動到目標位置偏轉15°時，在擾動載荷下后緣末端的振動變形，分別考慮了不加充壓管和加入充壓管2種情況。若不考慮充壓管剛度，后緣末端將在平衡位置產生上下約4°偏轉角變化；而引入充壓管剛度后，后緣的抖動角度控制在0.6°以內，起到了良好的抗擾動變形作用。

4 結束語

本文設計了一種可伸縮充壓管驅動器，具有重量輕、驅動力和驅動位移大等特點，可以實現(xiàn)對可變形結構的分布式驅動。

針對可伸縮充壓管的“驅動件即結構件”特點，通過建模分析推導了充壓管抗壓剛度的工程簡化公式。

將可伸縮充壓管驅動器應用于自適應機翼后緣上，滿足結構的驅動需求，并能有效提高后緣抵抗擾動載荷的能力。

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張 平(1985-)，男，博士，工程師，主要研究方向為智能蒙皮設計、復合材料力學。

Study on a Pressurized Telescopic Tube Actuator and Its Application

ZHANG Ping1,2

(1.The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,Chia； 2.NationalIndustrialDesignCenter,Hefei230088,China)

Adaptive technology is considered as one effective approach to enhance the endurance ability of sensor-craft, and the drivers are the basic system to keep adaptive structures working. In this paper, a kind of pressurized telescopic tube actuator which is capable of both driving and bearing is proposed. The mechanical model of the telescopic tube is established and then its simplified formula of equivalent stiffness is derived. Finally the telescopic tube actuator is applied to an adaptive wing and the vibration deformation of wing under airflow disturbance is simulated. Results show that the pressurized telescopic tube actuator is capable of producing enough driving force and displacement, also providing effective structure stiffness for adaptive structures.

sensor-craft; adaptive technology; pressurized telescopic tube

2016-10-10

V224

A

1008-5300(2016)06-0048-04