基于折纸结构的变体飞机机翼骨架的实现方法
【专利摘要】一种飞机制造及计算机图像处理【技术领域】的基于折纸结构的变体飞机机翼骨架的实现方法，通过确定机翼的三维坐标系，并用截面曲线方程表征机翼的上下表面曲线的形状；然后在x-z平面内定义m个等高坐标点，再将截面曲线方程进行z向平移，使得机翼的上下表面曲线的形状与等高坐标点位于同一x-z平面内；采用分段逼近法获得2N个拟合坐标点，以m个等高坐标点和2N个拟合坐标点得到m×N个基于折纸结构的机翼骨架的顶点，将顶点与其所有相邻点用直线段连接构成基于折纸结构的机翼骨架所对应的三维折纸结构的折纹，并进一步进行机翼骨架的计算机辅助制造。本发明利用了折纸结构具有良好的比强度和吸能特性，设计出适用于变体飞机的机翼骨架，具有很好的应用前景。
【专利说明】基于折纸结构的变体飞机机翼骨架的实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种飞机制造及计算机图像处理【技术领域】的方法，具体是一种便 于在计算机程序中实现的基于折纸结构的机翼骨架的实现方法。
【背景技术】
[0002] 变体飞机是目前飞机设计研究的一大热点，也是未来飞机发展的一大趋 势。变体飞机的主要通过可变形状的机翼来达到变体的目的。设计可变形状的 机翼包括两个技术难点，一是设计机翼蒙皮，二是设计机翼骨架。对于可变形蒙 皮（morphine skin),已经诸多方案被提出，包括：橡胶材料、形状记忆合金、仿鱼鳞 结构等，它不是本专利所关注的问题。传统飞机的内骨架的形状是固定的，无法满 足变体飞机的设计要求。目前有一些变体飞机骨架的设计方案被提出，包括：带肋 (Belt-rib)概念结构（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.),滑动肋（sliding-rib) 概念结构（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 概念结构（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，这些设计的缺陷在于：1)仅能提供相对简单变形模式或者变形幅度很小； 2)非单自由度结构，因此需要比较复杂的促动器（actuator) ;3)未能说明如何就任意给定 的翼型设计出对应的骨架形状。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于折纸结构的变体飞机机翼骨 架的实现方法，本发明利用了折纸结构具有良好的比强度和吸能特性，设计出适用于变体 飞机的机翼骨架，具有很好的应用前景。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明机翼骨架通过以下步骤实现：
[0006] 步骤1，确定机翼的三维坐标系，并用截面曲线方程表征机翼的上下表面曲线的形 状；然后在x-z平面内定义m个等高坐标点，再将截面曲线方程进行z向平移，使得机翼的 上下表面曲线的形状与等高坐标点位于同一 x-z平面内。
[0007] 所述的三维坐标系是指：以机翼飞行方向，即由机翼前缘（leading edge)指向后 缘（trailing edge)为y轴方向，z轴与y轴垂直并由下表面指向上表面，x轴与截面方向 垂直。
[0008] 所述的上下表面曲线的形状是指：用z = fu(y)用于表示机翼上表面的截面曲线 方程，用Z=fjy)表示机翼下表面的截面曲线方程，并有fuh) =fdyD以及fu(y2)= (y2)，即机翼上表面与机翼下表面的截面曲线首尾相连，其中％和y2分别为前缘和后缘 的y轴坐标。
[0009] 所述的等高坐标点是指：
【权利要求】
1. 一种基于折纸结构的变体飞机机翼骨架的实现方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，确定机翼的三维坐标系，并用截面曲线方程表征机翼的上下表面曲线的形状； 然后在X-Z平面内定义m个等高坐标点，再将截面曲线方程进行Z向平移，使得机翼的上下 表面曲线的形状与等高坐标点位于同一 x-z平面内； 步骤2,采用分段逼近法获得2N个拟合坐标点，具体步骤包括： 2.1)将机翼的上下表面曲线的截面曲线方程在y轴上[y' py' 2]区间内，任意截取 一段长度等于2N δ的线段，并对该线段进行N等分，对每个子线段从1至N进行编号，即第 让段子线段的中点记作队，1^=1，2，"％1其中4为满足^^彡|^ 2-太1|八26)的最大的 自然数； 2. 2)对步骤2. 1中得到的每一段子线段沿ζ方向进行平移操作，使得： ① 编号为偶数的子线段的中点落在Z = f' u(y)曲线上、编号为奇数的子线段的中点 落在Z = f' Jy)曲线上,或者； ② 编号为奇数的子线段的中点落在Z = f' u(y)曲线上、编号为偶数的子线段的中点 落在z = f' Jy)曲线上； 则在平移后的第k段子线段的两个端点分别为= P 和= [〇 A zlfc】T，并且有?-ι < yifc，并且在y_z平面上，总共得到2N个拟合坐标点 Vj = [〇 yj z/]T ./ ^1,2.....2N-. 步骤3,以m个等高坐标点和2N个拟合坐标点得到mXN个基于折纸结构的机翼骨架的
iy = [0 I 0]τ为y坐标轴的单位向量，iz = [0 0 1]τ为ζ坐标轴的单 位向量，Il Il表示对向量取模； 步骤4,将顶点与其所有相邻点用直线段连接构成基于折纸结构的机翼骨架所对应的 三维折纸结构的折纹，并进一步进行机翼骨架的计算机辅助制造。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的三维坐标系是指：以机翼飞行方向， 即由机翼前缘指向后缘为y轴方向，ζ轴与y轴垂直并由下表面指向上表面，X轴与截面方 向垂直。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的上下表面曲线的形状是指：用ζ = fu(y)用于表示机翼上表面的截面曲线方程，用z = ω表示机翼下表面的截面曲线方程， 并有fu(yi) =fi(yi)以及fu)y2) =fi(y2)，即机翼上表面与机翼下表面的截面曲线首尾相 连，其中α和y2分别为前缘和后缘的y轴坐标。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的等高坐标点是指：Ff = [# O #】τ? 其中：i = l，2, ···，!!!，并且树?= A所述的平移是指：将z=fu(y)沿z轴负向平移δ距离，平 移后的曲线方程为z = f' u(y) =fu(y)_S，将2 = 4(3〇沿ζ轴正向平移δ距离，平移后 的曲线方程为Ζ = Γ ;计算得到新曲线的交点的y轴坐标，y' 1和^ 2， 使得 u(y，J D 和 u(y' 2)=f' 2)。
5. 根据权利要求I所述的方法，其特征是，所述的相邻点是指：以Vq为顶点，则其相 邻点为 IVi,,U 或者 IViijVi,j+1}。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的计算机辅助制造包括但不限于以下 任一方式实现： 1) 直接根据空间折纸结构的CAD模型，通过三维打印技术制作得到； 2) 利用平面折纹图案，在平面板材上蚀刻出相应的折纹，再通过手工或者借助机械设 备，折叠得到； 3) 根据平面折纹图案，将一块平面板材按折纹切割成在平面折纹图案中由折纹包围形 成的小片，再用合页铰将这些小片连接起来，最后通过改变合页铰的夹角得到所需的机翼 骨架。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的平面折纹图案通过将所述三维折纸 结构的折纹映射至二维空间从而获得。
8. 根据权利要求6或7所述的方法，其特征是，所述的平面折纹图案通过以下步骤获 得： i) = [%/死/Γ为所述三维折纸结构的折纹中的顶点Vq在其折纸结构所对应的 平面折纹图案中所对应的坐标，其映射规则为：
与其所有相邻点用直线段连接，即Pv 或者构成平面折 纹图案。
【文档编号】B64F5/00GK104369856SQ201310354340
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年8月14日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】周翔, Y·衷, 汪海 申请人:上海交通大学