论文总字数：29726字

摘 要

本文按可变形刚体机构的综合方法，设计了一种以刚体机构实现的变形机翼。采用的刚体变形机构的综合方法通过探究如何对机翼轮廓进行分段，使变形机翼能够尽量拟合各个目标轮廓，并对分段结果进行机构设计，以得到一个单自由度的机翼变形机构设计方案。本课题的设计过程包括三个部分：平面刚体变形链对机翼轮廓的分段拟合，变形链的机构化设计，以及变形机翼三维模型的建立。变形机翼轮廓的分段与机构化过程主要由MATLAB程序实现。首先需要将轮廓转化成分段线性的曲线，而后确定变形链的结构方案（包括链段的类型、数量以及与连接的方式），MATLAB程序会自动搜索可行解，将若干小片段作为一条链段，并在一定的误差限内对可行解进行优化，得到最终的链段划分结果。而后，用MATLAB对得到的分段轮廓进行机构化，最终将得到一个单自由度的、刚体机构的变形机翼轮廓。变形机翼的建模过程采用Solidworks完成，将得到的机翼轮廓拓展成为立体机翼的三维模型，以更直观地体现出机翼的变形过程。

关键词：刚体机构，变体机翼，变形

Abstract

This paper presents a design to realize a morphing airfoil based on established synthesis methodology of shape-changing rigid-body mechanism. The adopted design method generates a chain of rigid-bodies that represent the surface geometry of the morphing wing to minimize the matching error at every desired profile shape, and then calculates essential constraining links to guide the chain to achieve all shapes from the previous step and completes a single-degree-of-freedom (DOF) wing mechanism. The whole process of study consists of three parts: Segmentation of the wing profile, mechanization of the rigid-body chain, and construction of the 3D model of the morphing wing. The segmentation and mechanization process of the deformed wing profile is mainly implemented by Matlab programming. Profiles are converted to piecewise liner curves. Then, Matlab program automatically searches feasible solutions according to the form of segments (M-segment or C-segment) and joints (R-joint or F-joint). Several pieces will be connected as a segment. The feasible solution is optimized within a certain margin of error to obtain the final segmentation result. Next, the procedure of mechanization is performed to obtain a single-DOF rigid-body morphing wing. Finally, the modeling process of the wing is accomplished by Solidworks.

KEY WORDS: Rigid-body mechanism, morphing wing, shape change

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 刚体变形机构 2

1.1.1 形状改变的方法 2

1.1.2 刚体变形机构的应用领域 2

1.2 可变形机翼 4

1.3 本文的结构框架 6

第二章 刚体形变基础 7

2.1 建立刚体变形机构的方法概述 7

2.2 生成目标轮廓 9

2.3 分段 11

2.3.1 链段类型向量 11

2.3.2 分段矩阵 12

2.3.3 M-链段的构建 13

2.3.4 C-链段的构建 14

2.4 拟合误差的计算 15

2.5 优化分段矩阵 16

2.6 链段的连接 17

第三章 机构化过程简述 20

3.1 变形机构的枚举及排列 20

3.1.1 枚举向量、 21

3.1.2 排除不可行连接方案 21

3.2 机构化结构的确定 22

3.2.1 遗传算法框架 22

3.2.2 确定适应度值 22

3.2.3 结果的分析 23

第四章 变形机翼的设计过程及结果 24

4.1 分段 24

4.2 机构化 26

4.3 模型的建立 27

第五章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 未来展望 29

5.2.1 不足之处 29

5.2.2 未来展望 29

致谢 30

参考文献 31

附录 33

绪论

刚体变形机构

随着工业行业的发展，刚体机构已被用于改变各种机械和结构系统的形状。相比于柔性机构与智能材料等其他变形方式，刚体机构在大载荷下提供变形的能力有着独特的优势，并且它们对各种加载方案的响应很容易根据基础工程力学的原理确定。下面我们从形变方法开始，介绍变形机构乃至刚体变形机构的背景及应用。

形状改变的方法

许多用于实现形状变化的技术早已被开发了出来，其中最常见的是智能材料，柔性机构和刚体机构。

（1）智能材料

智能材料是通过材料晶体结构的形状变化产生体积力和位移输出的执行器。智能材料广泛用于航空航天应用中，以减轻重量并提高承载能力。变形翼型设计有诸如SMA[1]，压电[2]和磁致伸缩[3]致动器。压电致动器也被用于天线反射器和双压电晶体镜[4]。 智能材料执行器最适合于小位移欠载，大多数研究使用缩放模型。

（2）柔性机构

柔性机构通过输入驱动引起结构变形从而改变形状。由于柔性机构无铰链的设计，其在减少零件和接头数量方面有明显的优势，能够减轻重量，简化制造和装配过程，消除机械间隙和摩擦，解决了机构间的磨损问题。柔性机构的其他潜在优势包括不需要润滑和无噪音。柔性机构不需要组装，因此在微机电系统和纳机电系统（MEMS和NEMS）中得到了广泛应用。但是，柔性机构并不是毫无缺点。由于柔性机构在变形时能够储存弹性能量，因此它们可以在不需要弹簧的情况下返回到其原始位置。但是，这也意味着需要一个保持力来将柔性机构保持在变形位置。柔性机构的其他缺点包括只能提供有限的旋转和位移；由于它们几何结构和弹性性能之间的非线性关系，柔性机构的设计上也存在一定的复杂性。

（3）刚体机构

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