基于折紙結構的變體飛機機翼骨架的實現方法
【專利摘要】一種飛機制造及計算機圖像處理【技術領域】的基于折紙結構的變體飛機機翼骨架的實現方法，通過確定機翼的三維坐標系，并用截面曲線方程表征機翼的上下表面曲線的形狀；然后在x-z平面內定義m個等高坐標點，再將截面曲線方程進行z向平移，使得機翼的上下表面曲線的形狀與等高坐標點位于同一x-z平面內；采用分段逼近法獲得2N個擬合坐標點，以m個等高坐標點和2N個擬合坐標點得到m×N個基于折紙結構的機翼骨架的頂點，將頂點與其所有相鄰點用直線段連接構成基于折紙結構的機翼骨架所對應的三維折紙結構的折紋，并進一步進行機翼骨架的計算機輔助制造。本發明利用了折紙結構具有良好的比強度和吸能特性，設計出適用于變體飛機的機翼骨架，具有很好的應用前景。
【專利說明】基于折紙結構的變體飛機機翼骨架的實現方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是一種飛機制造及計算機圖像處理【技術領域】的方法，具體是一種便 于在計算機程序中實現的基于折紙結構的機翼骨架的實現方法。
【背景技術】
[0002] 變體飛機是目前飛機設計研究的一大熱點，也是未來飛機發展的一大趨 勢。變體飛機的主要通過可變形狀的機翼來達到變體的目的。設計可變形狀的 機翼包括兩個技術難點，一是設計機翼蒙皮，二是設計機翼骨架。對于可變形蒙 皮（morphine skin),已經諸多方案被提出，包括：橡膠材料、形狀記憶合金、仿魚鱗 結構等，它不是本專利所關注的問題。傳統飛機的內骨架的形狀是固定的，無法滿 足變體飛機的設計要求。目前有一些變體飛機骨架的設計方案被提出，包括：帶肋 (Belt-rib)概念結構（M0NNER，H.P.，BREITBACH，E.，BEIN，T. and HANSELKA，H. Design aspects of the adaptive wing-the elastic trailing edge and the local spoiler bump, Aeronaut J, 2000, 104, (1032), pp89-95.),滑動肋（sliding-rib) 概念結構（CAMPANILE, L.F. AND SACHAU,D.Belt-rib concept:a structronic approach to variable camber. J Intelligent Material Systems and Structure s, 2000, 11, (3), pp215-224. )，Eccentutor 概念結構（PERKINS, D. A. , REED, J. L. and HAVENS, E. Adaptive wing structures, 2004, Smart Structures and Materials and Nondestructive Evaluation for Health Monitoring and Diagnostics conference, San Diego, CA, USA, International Society for Optical Engineering. )〇
[0003] 然而，這些設計的缺陷在于：1)僅能提供相對簡單變形模式或者變形幅度很小； 2)非單自由度結構，因此需要比較復雜的促動器（actuator) ;3)未能說明如何就任意給定 的翼型設計出對應的骨架形狀。
【發明內容】
[0004] 本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于折紙結構的變體飛機機翼骨 架的實現方法，本發明利用了折紙結構具有良好的比強度和吸能特性，設計出適用于變體 飛機的機翼骨架，具有很好的應用前景。
[0005] 本發明是通過以下技術方案實現的，本發明機翼骨架通過以下步驟實現：
[0006] 步驟1，確定機翼的三維坐標系，并用截面曲線方程表征機翼的上下表面曲線的形 狀；然后在x-z平面內定義m個等高坐標點，再將截面曲線方程進行z向平移，使得機翼的 上下表面曲線的形狀與等高坐標點位于同一 x-z平面內。
[0007] 所述的三維坐標系是指：以機翼飛行方向，即由機翼前緣（leading edge)指向后 緣（trailing edge)為y軸方向，z軸與y軸垂直并由下表面指向上表面，x軸與截面方向 垂直。
[0008] 所述的上下表面曲線的形狀是指：用z = fu(y)用于表示機翼上表面的截面曲線 方程，用Z=fjy)表示機翼下表面的截面曲線方程，并有fuh) =fdyD以及fu(y2)= (y2)，即機翼上表面與機翼下表面的截面曲線首尾相連，其中％和y2分別為前緣和后緣 的y軸坐標。
[0009] 所述的等高坐標點是指：
【權利要求】
1. 一種基于折紙結構的變體飛機機翼骨架的實現方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，確定機翼的三維坐標系，并用截面曲線方程表征機翼的上下表面曲線的形狀； 然后在X-Z平面內定義m個等高坐標點，再將截面曲線方程進行Z向平移，使得機翼的上下 表面曲線的形狀與等高坐標點位于同一 x-z平面內； 步驟2,采用分段逼近法獲得2N個擬合坐標點，具體步驟包括： 2.1)將機翼的上下表面曲線的截面曲線方程在y軸上[y' py' 2]區間內，任意截取 一段長度等于2N δ的線段，并對該線段進行N等分，對每個子線段從1至N進行編號，即第 讓段子線段的中點記作隊，1^=1，2，"％1其中4為滿足^^彡|^ 2-太1|八26)的最大的 自然數； 2. 2)對步驟2. 1中得到的每一段子線段沿ζ方向進行平移操作，使得： ① 編號為偶數的子線段的中點落在Z = f' u(y)曲線上、編號為奇數的子線段的中點 落在Z = f' Jy)曲線上,或者； ② 編號為奇數的子線段的中點落在Z = f' u(y)曲線上、編號為偶數的子線段的中點 落在z = f' Jy)曲線上； 則在平移后的第k段子線段的兩個端點分別為= P 和= [〇 A zlfc】T，并且有?-ι < yifc，并且在y_z平面上，總共得到2N個擬合坐標點 Vj = [〇 yj z/]T ./ ^1,2.....2N-. 步驟3,以m個等高坐標點和2N個擬合坐標點得到mXN個基于折紙結構的機翼骨架的
iy = [0 I 0]τ為y坐標軸的單位向量，iz = [0 0 1]τ為ζ坐標軸的單 位向量，Il Il表示對向量取模； 步驟4,將頂點與其所有相鄰點用直線段連接構成基于折紙結構的機翼骨架所對應的 三維折紙結構的折紋，并進一步進行機翼骨架的計算機輔助制造。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的三維坐標系是指：以機翼飛行方向， 即由機翼前緣指向后緣為y軸方向，ζ軸與y軸垂直并由下表面指向上表面，X軸與截面方 向垂直。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的上下表面曲線的形狀是指：用ζ = fu(y)用于表示機翼上表面的截面曲線方程，用z = ω表示機翼下表面的截面曲線方程， 并有fu(yi) =fi(yi)以及fu)y2) =fi(y2)，即機翼上表面與機翼下表面的截面曲線首尾相 連，其中α和y2分別為前緣和后緣的y軸坐標。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的等高坐標點是指：Ff = [# O #】τ? 其中：i = l，2, ···，!!!，并且樹?= A所述的平移是指：將z=fu(y)沿z軸負向平移δ距離，平 移后的曲線方程為z = f' u(y) =fu(y)_S，將2 = 4(3〇沿ζ軸正向平移δ距離，平移后 的曲線方程為Ζ = Γ ;計算得到新曲線的交點的y軸坐標，y' 1和^ 2， 使得 u(y，J D 和 u(y' 2)=f' 2)。
5. 根據權利要求I所述的方法，其特征是，所述的相鄰點是指：以Vq為頂點，則其相 鄰點為 IVi,,U 或者 IViijVi,j+1}。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的計算機輔助制造包括但不限于以下 任一方式實現： 1) 直接根據空間折紙結構的CAD模型，通過三維打印技術制作得到； 2) 利用平面折紋圖案，在平面板材上蝕刻出相應的折紋，再通過手工或者借助機械設 備，折疊得到； 3) 根據平面折紋圖案，將一塊平面板材按折紋切割成在平面折紋圖案中由折紋包圍形 成的小片，再用合頁鉸將這些小片連接起來，最后通過改變合頁鉸的夾角得到所需的機翼 骨架。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特征是，所述的平面折紋圖案通過將所述三維折紙 結構的折紋映射至二維空間從而獲得。
8. 根據權利要求6或7所述的方法，其特征是，所述的平面折紋圖案通過以下步驟獲 得： i) = [%/死/Γ為所述三維折紙結構的折紋中的頂點Vq在其折紙結構所對應的 平面折紋圖案中所對應的坐標，其映射規則為：
與其所有相鄰點用直線段連接，即Pv 或者構成平面折 紋圖案。
【文檔編號】B64F5/00GK104369856SQ201310354340
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年8月14日 優先權日:2013年8月14日
【發明者】周翔, Y·衷, 汪海 申請人:上海交通大學