CN110920864B - 一种形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构及方法，该变体机构的上、下蒙皮为设有加热膜的形状记忆合金薄板，中间为弹簧钢板，前端用前缘连接，后端用固定块连接。利用加热膜对上方的形状记忆合金薄板加热激励，驱动机构向上弯曲变形；对下方的形状记忆合金薄板加热激励，驱动机构则回复至初始形状。本发明具有结构简单紧凑，双程弯曲变形的优点，解决了形状记忆合金丝驱动的变体机翼中存在的大变形与蒙皮刚度、蒙皮皱褶之间的矛盾，并且具有优良的气动承载力；双程变形均通过加热激励，具有响应迅速的优点。

Description

一种形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构及方法

技术领域

本发明涉及变体飞行器领域，尤其涉及一种形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构及方法。

背景技术

变体机翼作为变体飞行器的重要组成部分，可以像鸟类一样，根据飞行任务的需求自主实现形状的改变，获得最优气动性能，从而大大提高了飞行器的任务执行效率，已成为主导下一代飞行器的关键技术。

形状记忆合金作为智能材料的一种，因具有驱动力、变形量大，驱动方式简单等优点，常被用作驱动元件以实现变体机翼的形状改变。现有的研究中利用形状记忆合金驱动机翼变形的方式，主要有两种：一种是以形状记忆合金丝为驱动元件的驱动机构与柔性蒙皮组成的机翼结构形式，该柔性蒙皮可实现多自由度、大变形的目的；另一种是将形状记忆合金丝嵌入纤维增强树脂基复合材料制成形状记忆合金智能复合材料，该类复合材料具有普通复合材料的承载能力，又可通过形状记忆合金的丝驱动达到变形目的。

在SMA丝驱动机构与柔性蒙皮组合的变体机翼方面面临的难点为：一是大变形条件下形状记忆合金丝容易出现疲劳断裂；二是多自由度大变形的柔性蒙皮实现过程存在的技术难点：解决蒙皮大变形与承载能力之间矛盾，同时需要处理变形过程中蒙皮的光顺性问题等，至今该技术难点没有获得很好解决。利用形状记忆合金复合材料实现变体机翼存在的问题是，在多次循环激励后形状记忆合金丝与基体材料的结合面易出现分离甚至脱落，导致驱动失效。目前众多科研人员从各角度进行研究包括：形状记忆合金丝表面处理方式、形状记忆合金丝在基体材料中的布置方式、界面粘结剂等以解决该难题。

李杰锋等人在文献：一种双程变形的形状记忆合金鼓包及其制作方法（中国发明专利，201611050766.6）中公开了一种以形状记忆合金薄板为驱动元件的可双程弯曲变形的鼓包及其制作方法，给出了获得不同形状记忆合金薄板型面的工艺方法，将形状记忆合金薄板与等面积的弹簧钢板集成后，利用弹簧钢板的弹性力可将变形后的形状记忆合金薄板回复至平直形状，进而获得双程效应。基于该原理及方法也可制作双程弯曲的机翼蒙皮及变体驱动机构，但该机构存在如下不足：上、下蒙皮均是由形状记忆合金薄板与弹簧钢板复合而成，蒙皮厚度较厚，导致驱动机构重量较重；蒙皮的弯曲变形通过加热实现，提高加热功率可提高响应速度，但回复需在形状记忆合金薄板冷却至低弹性模量的马氏体后，依靠弹簧钢板的弹性作用才能回复，存在响应时间慢的缺点；并且该文献中没有给出因上、下蒙皮的弯曲大变形引起的端部滑动问题的解决办法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构及方法，分别对上、下蒙皮的形状记忆合金薄板加热可获得双程弯曲变形，具有结构简单、轻质、响应时间迅速、变形型面光顺、疲劳性能优、承载能力强等优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构，包含上蒙皮、下蒙皮、弹簧钢板、固定块、前缘和2N个滑动组件，N为大于等于1的自然数；

所述滑动组件包含导轨和滑块，所述滑块能够在所述导轨上自由滑动；

所述上蒙皮、弹簧钢板、下蒙皮分别层上、中、下三层设置，其中，上蒙皮、弹簧钢板、下蒙皮的一端分别和所述前缘固连；所述弹簧钢板的另一端和所述固定块固连；所述2N个滑动组件中，N个滑动组件的导轨均匀设置在所述固定块的上端面、滑块分别和所述上蒙皮的另一端固连，另外N个滑动组件的导轨均匀设置在所述固定块的下端面、滑块分别和所述下蒙皮的另一端固连；所述2N个滑动组件的导轨相互平行、由固定块指向前缘；

所述上蒙皮、下蒙皮均包含形状记忆合金薄板和加热膜，其中，所述上蒙皮的加热膜粘贴在其形状记忆合金薄板的下端面上，所述下蒙皮的加热膜粘贴在其形状记忆合金薄板的上端面上；

所述上蒙皮、下蒙皮的形状记忆合金薄板常温下均呈平板状；下蒙皮的形状记忆合金薄板处于常温下、上蒙皮的形状记忆合金薄板加热至形状记忆合金的奥氏体相变温度时，上蒙皮的形状记忆合金薄板产生形状记忆效应向上弯曲、且带动弹簧钢板和下蒙皮的形状记忆合金薄板向上弯曲；上蒙皮的形状记忆合金薄板停止加热、下蒙皮的形状记忆合金薄板加热至形状记忆合金的奥氏体相变温度时，下蒙皮恢复平板状、且带动弹簧钢板和上蒙皮恢复平板状。

作为本发明一种形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构进一步的优化方案，所述上蒙皮、下蒙皮和其对应的滑块之间均设有气凝胶隔热毡。

作为本发明一种形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构进一步的优化方案，所述上蒙皮、下蒙皮的形状记忆合金薄板厚度均为1.5mm，所述弹簧钢板的厚度为1.5mm。

本发明还公开了一种该双程变体机构的驱动方法，具体步骤如下：

步骤1），当需要双程变体机构呈现出弯曲状态时，采用直流稳压电源对上蒙皮内表面的加热膜通电，使得上蒙皮形状记忆合金薄板的温度达到形状记忆合金的奥氏体相变温度，此时，上蒙皮的形状记忆合金薄板产生形状记忆效应向上弯曲，同时带动下蒙皮的形状记忆合金薄板及中间弹簧钢板一起向上弯曲，直至达到最大弯曲变形量；保持形状记忆合金薄板的温度高于奥氏体相变完成温度，则该变体机构维持最大弯曲状态；

步骤2），当需要双程变体机构回复初始状态时，停止对上蒙皮的形状记忆合金板加热，同时对下蒙皮的加热膜通电加热，使得下蒙皮形状记忆合金薄板的温度达到形状记忆合金的奥氏体相变温度，此时，下蒙皮的形状记忆合金薄板因形状记忆效应向下回复变形，同时带动弹簧钢板及上蒙皮回复至初始状态；

步骤3），当需要双程变体机构在弯曲状态、初始状态之间变化，实现双程弯曲变形时，交替对上、下蒙皮形状记忆合金板加热，且加热温度达到形状记忆合金的奥氏体相变温度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

与现有的形状记忆合金驱动的变体机构相比，本发明巧妙地将形状记忆合金薄板作为上、下蒙皮，利用形状记忆合金薄板的单程弯曲记忆效应实现了双程弯曲变形的目的，对上蒙皮加热激励，机构向上弯曲；反之，对下蒙皮加热则回复至初始状态，从而实现主动双程弯曲变形目的。该变体机构具有如下优点：利用单程形状记忆效应中奥氏体的弹性模量大于马氏体弹性模量的特点，实现了双程弯曲变形的目的；双程弯曲均是通过加热实现，不需冷却过程，因而变形具有主动性；通过提高加热膜的加热功率，可缩短变形响应时间，具有响应迅速的优点；由于上、下蒙皮为形状记忆合金薄板，因而可承受大的气动载荷；具有良好疲劳性能，循环激励次数上万次后，变形效果不降低；主体结构为上、下蒙皮及弹簧钢板，结构简单，制备简便。

附图说明

图1为本发明形状合金薄板驱动的双程变体机构的等轴测视图；

图2为本发明形状合金薄板驱动的双程变体机构的主视图；

图3为本发明形状合金薄板驱动的双程变体机构的俯视图；

图4为本发明形状合金薄板驱动的双程变体机构的左视图；

图5为本发明形状合金薄板驱动的双程变体机构的A-A剖视图；

图6为本发明形状合金薄板驱动的双程变体机构对上蒙皮形状记忆合金板加热后的弯曲状态图。

图中，1-沉头螺钉，2-上蒙皮的形状记忆合金薄板，3-上蒙皮的加热膜，4-前缘，5-铆钉，6-中间弹簧钢板，7-下蒙皮的形状记忆合金薄板，8-下蒙皮的加热膜，9-固定块，10-气凝胶隔热毡，11-滑块，12-导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明公开了一种形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构，包含上蒙皮、下蒙皮、弹簧钢板、固定块、前缘和2N个滑动组件，N为大于等于1的自然数；

所述滑动组件包含导轨和滑块，所述滑块能够在所述导轨上自由滑动；

所述上蒙皮、弹簧钢板、下蒙皮分别层上、中、下三层设置，其中，上蒙皮、弹簧钢板、下蒙皮的一端分别和所述前缘固连；所述弹簧钢板的另一端和所述固定块固连；所述2N个滑动组件中，N个滑动组件的导轨均匀设置在所述固定块的上端面、滑块分别和所述上蒙皮的另一端固连，另外N个滑动组件的导轨均匀设置在所述固定块的下端面、滑块分别和所述下蒙皮的另一端固连；所述2N个滑动组件的导轨相互平行、由固定块指向前缘；

所述上蒙皮、下蒙皮均包含形状记忆合金薄板和加热膜，其中，所述上蒙皮的加热膜粘贴在其形状记忆合金薄板的下端面上，所述下蒙皮的加热膜粘贴在其形状记忆合金薄板的上端面上；

所述上蒙皮、下蒙皮的形状记忆合金薄板常温下均呈平板状；下蒙皮的形状记忆合金薄板处于常温下、上蒙皮的形状记忆合金薄板加热至形状记忆合金的奥氏体相变温度时，上蒙皮的形状记忆合金薄板产生形状记忆效应向上弯曲、且带动弹簧钢板和下蒙皮的形状记忆合金薄板向上弯曲；上蒙皮的形状记忆合金薄板停止加热、下蒙皮的形状记忆合金薄板加热至形状记忆合金的奥氏体相变温度时，下蒙皮恢复平板状、且带动弹簧钢板和上蒙皮恢复平板状。

图6为本发明形状合金薄板驱动的双程变体机构对上蒙皮形状记忆合金板加热后的弯曲状态图。

上蒙皮、下蒙皮和其对应的滑块之间均设有气凝胶隔热毡。

上蒙皮、下蒙皮的形状记忆合金薄板厚度均为1.5mm，所述弹簧钢板的厚度为1.5mm。

上蒙皮、下蒙皮和其对应的滑块进行连接时，可以采用沉头螺钉进行固定；上蒙皮、下蒙皮和前缘之间也采用沉头螺钉进行固定；弹簧钢板和前缘则可以采用铆钉固定。

本发明中双程变体机构的制备安装工艺如下：

1.形状记忆合金薄板的机械加工：根据需要，利用线切割机切割出形状记忆合金薄板两件，接着利用电火花加工出安装孔。

2.形状记忆合金薄板的成型及训练：利用模具对其中一件形状记忆薄板加热成型为所需的弯曲型面，冷却后压平，将弯曲后凸面记作内侧表面，并做标记；接着重复加热、冷却、压平过程100次以上的训练，最后在冷却状态下压平，该形状记忆合金薄板用做上蒙皮。对另一件形状记忆合金薄板在400℃退火20分钟后冷却，保持平直状态，该形状记忆合金薄板用作下蒙皮，将其中一面做内侧表面并做标记。

3.其他零件的加工：弹簧钢板、前缘、固定块采用常规的机械加工方法制作；滑块、导轨、气凝胶隔热毡、加热膜、铆钉、沉头螺钉可在市场上购买。

4.装配：首先将弹簧钢板分别与前缘、固定块装配后用铆钉铆接；接着在固定块的上、下表面安装导轨及滑块，安装采用螺钉连接；然后在滑块上方粘贴气凝胶隔热毡，在上、下蒙皮的形状记忆合金薄板的内侧粘贴加热膜；最后用沉头螺钉将上、下形状记忆合金板分别与前缘及滑块连接，至此该形状合金薄板驱动的双程变体机构制作完成。

本发明还公开了一种该双程变体机构的驱动方法，具体步骤如下：

步骤1），当需要双程变体机构呈现出弯曲状态时，采用直流稳压电源对上蒙皮内表面的加热膜通电，使得上蒙皮形状记忆合金薄板的温度达到形状记忆合金的奥氏体相变温度，此时，上蒙皮的形状记忆合金薄板产生形状记忆效应向上弯曲，同时带动下蒙皮的形状记忆合金薄板及中间弹簧钢板一起向上弯曲，直至达到最大弯曲变形量；保持形状记忆合金薄板的温度高于奥氏体相变完成温度，则该变体机构维持最大弯曲状态；

步骤2），当需要双程变体机构回复初始状态时，停止对上蒙皮的形状记忆合金板加热，同时对下蒙皮的加热膜通电加热，使得下蒙皮形状记忆合金薄板的温度达到形状记忆合金的奥氏体相变温度，此时，下蒙皮的形状记忆合金薄板因形状记忆效应向下回复变形，同时带动弹簧钢板及上蒙皮回复至初始状态；

步骤3），当需要双程变体机构在弯曲状态、初始状态之间变化，实现双程弯曲变形时，交替对上、下蒙皮形状记忆合金板加热，且加热温度达到形状记忆合金的奥氏体相变温度。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构，其特征在于，包含上蒙皮、下蒙皮、弹簧钢板、固定块、前缘和2N个滑动组件，N为大于等于1的自然数；

所述滑动组件包含导轨和滑块，所述滑块能够在所述导轨上自由滑动；

所述上蒙皮、弹簧钢板、下蒙皮分别层上、中、下三层设置，其中，上蒙皮、弹簧钢板、下蒙皮的一端分别和所述前缘固连；所述弹簧钢板的另一端和所述固定块固连；所述2N个滑动组件中，N个滑动组件的导轨均匀设置在所述固定块的上端面、滑块分别和所述上蒙皮的另一端固连，另外N个滑动组件的导轨均匀设置在所述固定块的下端面、滑块分别和所述下蒙皮的另一端固连；所述2N个滑动组件的导轨相互平行、由固定块指向前缘；

所述上蒙皮、下蒙皮均包含形状记忆合金薄板和加热膜，其中，所述上蒙皮的加热膜粘贴在其形状记忆合金薄板的下端面上，所述下蒙皮的加热膜粘贴在其形状记忆合金薄板的上端面上；

所述上蒙皮、下蒙皮的形状记忆合金薄板常温下均呈平板状；下蒙皮的形状记忆合金薄板处于常温下、上蒙皮的形状记忆合金薄板加热至形状记忆合金的奥氏体相变温度时，上蒙皮的形状记忆合金薄板产生形状记忆效应向上弯曲、且带动弹簧钢板和下蒙皮的形状记忆合金薄板向上弯曲；上蒙皮的形状记忆合金薄板停止加热、下蒙皮的形状记忆合金薄板加热至形状记忆合金的奥氏体相变温度时，下蒙皮恢复平板状、且带动弹簧钢板和上蒙皮恢复平板状。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构，其特征在于，所述上蒙皮、下蒙皮和其对应的滑块之间均设有气凝胶隔热毡。

3.根据权利要求1所述的形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构，其特征在于，所述上蒙皮、下蒙皮的形状记忆合金薄板厚度均为1.5mm，所述弹簧钢板的厚度为1.5mm。

4.基于权利要求1所述的形状记忆合金薄板驱动的双程变体机构的驱动方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1），当需要双程变体机构呈现出弯曲状态时，采用直流稳压电源对上蒙皮内表面的加热膜通电，使得上蒙皮形状记忆合金薄板的温度达到形状记忆合金的奥氏体相变温度，此时，上蒙皮的形状记忆合金薄板产生形状记忆效应向上弯曲，同时带动下蒙皮的形状记忆合金薄板及中间弹簧钢板一起向上弯曲，直至达到最大弯曲变形量；保持形状记忆合金薄板的温度高于奥氏体相变完成温度，则该变体机构维持最大弯曲状态；

步骤2），当需要双程变体机构回复初始状态时，停止对上蒙皮的形状记忆合金板加热，同时对下蒙皮的加热膜通电加热，使得下蒙皮形状记忆合金薄板的温度达到形状记忆合金的奥氏体相变温度，此时，下蒙皮的形状记忆合金薄板因形状记忆效应向下回复变形，同时带动弹簧钢板及上蒙皮回复至初始状态；

步骤3），当需要双程变体机构在弯曲状态、初始状态之间变化，实现双程弯曲变形时，交替对上、下蒙皮形状记忆合金板加热，且加热温度达到形状记忆合金的奥氏体相变温度。

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