基于拓扑优化的新型蜂窝结构设计

作者：刘浩; 曹佳薇; 高仁璟^*; 王长生

来源：计算力学学报, 2023, 40(04): 514-521.

• 零泊松比蜂窝
• 拓扑优化
• 大变形
• 驱动力小
• 高承载

可变体飞行器若要实现机翼后掠角、面积和前后缘弯度等参数的大幅度变化，机翼蒙皮需要具有光滑的气动外形、大变形、高承载以及驱动力小的特点。针对柔性蒙皮的需求，本文利用拓扑优化方法设计了一种新型零泊松比蜂窝结构，通过有限元仿真与U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构进行对比，验证其变形和承载等性能。以最大应变2%为基准，比较了三种蜂窝结构的变形能力。结果表明，新型蜂窝结构的拉伸变形量高达75%,分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的1.7倍和2.1倍。在最大位移量相同时，所需驱动力分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的0.51倍和0.28倍，表明新型蜂窝结构具有很大的易变形能力。当蜂窝结构的橡胶蒙皮受到相同压强载荷且处于初始未拉伸状态/拉伸状态时，新型蜂窝结构橡胶蒙皮的最大法向位移量分别是U形蜂窝橡胶蒙皮和余弦形蜂窝橡胶蒙皮的0.4倍/0.56倍和0.29倍/0.42倍，表明新型蜂窝结构具有良好的面外承载能力。另外，通过适当增加壁厚，可以提高新型蜂窝结构本身的抗弯曲能力。分析结果表明，本文设计的新型蜂窝结构具备大变形、高承载以及驱动力小的优点。

• 单位
  中国航天科工飞航技术研究院; 大连理工大学