CN103419925A - 用于叶片扭转的形状记忆合金主动翼梁 - Google Patents

用于叶片扭转的形状记忆合金主动翼梁 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于改变结构翼梁的形状的系统，在示例性实施例中，该系统包含多个相邻的结构条板，该多个相邻的结构条板轴向对齐以形成结构翼梁。至少一个结构条板由形状记忆合金形成。该系统还包含温度控制系统以控制至少一个形状记忆合金条板的温度。施加给至少一个形状记忆合金条板的热量引起结构翼梁扭转或弯曲。

Description

用于叶片扭转的形状记忆合金主动翼梁
技术领域
本公开的领域通常涉及飞机机翼和旋翼叶片的翼梁，并且更具体地，涉及形状记忆合金主动翼梁。
背景技术
形状记忆合金（SMA）是具有令人关注的热性能和机械性能的一组金属。形状记忆合金可存在于几个不同的依赖于温度的相中的一个中。这些相的最普遍使用是所谓的马氏体相和奥氏体相。当加热形状记忆合金经历转变温度时，形状记忆合金从马氏体相变化成奥氏体相。
形状记忆合金材料，例如镍钛诺，在马氏体状态期间（低屈服强度条件）变形，并且然后被加热到其转变温度，从而达到奥氏体状态，其中形状记忆合金材料将恢复其最初的（未变形的）形状。返回到最初的形状的速度取决于施加给部件的热能的量和速度。当形状记忆合金材料被冷却时，形状记忆合金材料将返回到马氏体状态和形状。
结构翼梁用于飞机机翼、旋翼叶片以及非-航空结构的强度方面，和用于促进结构的形状。机械和/或电致动系统有时用于改变包含翼梁的结构的形状。然而这些机械和/或电致动系统是复杂的，占空间并且增加重量。需要一种不具有这些已知的不利特性的改变结构翼梁的形状的方法。
发明内容
在一个方面，提供了用于改变结构翼梁的形状的系统。该系统包含多个相邻的结构条板，其轴向对齐以形成结构翼梁。至少一个结构条板用形状记忆合金形成。该系统还包含控制至少一个形状记忆合金条板的温度的温度控制系统。施加给至少一个形状记忆合金条板的热量引起结构翼梁扭转或弯曲。
在另一个方面，提供结构翼梁。结构翼梁包含多个相邻的结构条板以形成结构翼梁。至少一个结构条板是形状记忆合金条板。结构翼梁还包含至少一个加热元件，其邻近至少一个形状记忆合金条板放置，从而改变至少一个形状记忆合金条板的温度。施加给至少一个形状记忆合金条板的热量引起结构翼梁扭转或弯曲。
在另一个方面，提供扭转旋翼叶片的方法。该方法包含利用由多个相邻的结构条板形成结构翼梁，该多个相邻的结构条板轴向对齐以形成结构翼梁，至少一个条板包含形状记忆合金条板。该方法还包含将温度控制系统连接到结构翼梁，从而控制至少一个形状记忆合金条板的温度，并且将热量施加给至少一个形状记忆合金条板，从而引起结构翼梁扭转，其扭转旋翼叶片。
用于改变结构翼梁的形状的系统包含多个相邻的结构条板和温度控制系统，该多个相邻的结构条板轴向地对齐以形成所述结构翼梁，至少一个所述结构条板包括形状记忆合金，温度控制系统控制所述至少一个形状记忆合金条板的温度；其中施加给所述至少一个形状记忆合金条板的热量引起所述结构翼梁扭转或弯曲。形状记忆合金条板可包括镍-钛基合金、镍-钛-铂基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、镍-铝-铂基合金、镍-镓基合金、铜基合金、金-镉基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、锰-铜基合金、钌-铌基合金和钌-钽基合金中的至少一种。至少一个形状记忆合金条板可以被调整(train)切变（shear）。结构翼梁可以放置在旋翼叶片、飞机机翼或尾翼以及其他航空和非-航空结构、部件和元件中，包含地面结构和基于地面的交通工具、水基结构和交通工具。温度控制系统可被配置为加热所述至少一个形状记忆合金条板，并且此后冷却所述至少一个形状记忆合金条板。温度控制系统可包含靠近所述至少一个形状记忆合金条板放置的加热元件。至少一个形状记忆合金条板可以在第一温度下处于马氏体相，并且在所述至少一个形状记忆合金条板处于大于所述第一温度的第二温度中的奥氏体相中，所述至少一个记忆条板的所述奥氏体相引起所述结构翼梁扭转或弯曲。结构翼梁可返回到非扭转形状，其中至少一个形状记忆条板从奥氏体相改变成马氏体相，在马氏体相中所述至少一个形状记忆条板被冷却至所述第一温度。
结构翼梁包括多个邻近的结构条板以形成所述结构翼梁，至少一个所述条板包括形状记忆合金条板；以及包括至少一个加热元件，该加热元件邻近所述至少一个形状记忆合金条板放置以改变所述至少一个形状记忆合金条板的温度，其中施加给所述至少一个形状记忆合金条板的热量引起所述结构翼梁扭转或弯曲。形状记忆合金可包含镍-钛基合金、镍-钛-铂基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、镍-铝-铂基合金、镍-镓基合金、铜基合金、金-镉基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、锰-铜基合金、钌-铌基合金和钌-钽基合金中的至少一种。至少一个形状记忆合金条板可以被调整切变。结构翼梁可以放置在旋翼叶片、飞机机翼或尾翼以及其他航空和非航空结构、部件和元件中，包含地面结构和基于地面的交通工具、水基结构和交通工具。结构翼梁可包含耦合到所述至少一个加热元件的温度控制系统。
温度控制系统可被配置为改变所述至少一个加热元件的温度。至少一个形状记忆合金条板可以在第一温度下处于马氏体相，并且在大于所述第一温度的第二温度中下处于奥氏体相。奥氏体相可引起结构翼梁扭转或弯曲。
本发明涉及扭转旋翼叶片的方法，该方法包含由多个相邻的结构条板形成结构翼梁，该多个相邻的结构条板轴向对齐从而形成结构翼梁，至少一个条板包括形状记忆合金条板；将温度控制系统连接到结构翼梁，从而控制至少一个形状记忆合金条板的温度；和将热量施加给至少一个形状记忆合金条板，从而引起结构翼梁扭转，其扭转旋翼叶片。该方法可包含冷却至少一个形状记忆合金条板，从而返回到结构翼梁的非扭转形状。温度控制系统可以连接到结构翼梁，而加热元件连接到所述至少一个形状记忆合金条板。形状记忆合金条板可以在第一温度下处于马氏体相，并且在大于第一温度的第二温度中下处于奥氏体相。至少一个记忆合金条板的奥氏体相可引起所述结构翼梁扭转。形状记忆合金可包括镍-钛基合金、镍-钛-铂基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、镍-铝-铂基合金、镍-镓基合金、铜基合金、金-镉基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、锰-铜基合金、钌-铌基合金和钌-钽基合金中的至少一种。
本发明的每一个元件被设计为改进翼梁的性能和耐用性。已经讨论的特征、功能和优势可在多种实施例中独立地实现，或可在其他实施例中结合，其进一步的细节参考具体实施方式和附图可见。
附图说明
图1是飞机的透视图。
图2是直升飞机的透视图。
图3是图2中所示的直升机叶片的透视图。
图4是图3中所示的翼梁的一部分的放大的透视图。
图5是图4中所示的且处于扭转状态的翼梁的一部分的放大的透视图。
图6是扭转旋翼叶片的方法的方块流程图。
图7是包含两个形状记忆合金条板的翼梁的一部分的放大的透视图。
具体实施方式
下面详细地描述用于飞机机翼和旋翼的形状记忆合金主动翼梁。在示例性实施例中，用于改变飞机结构翼梁的形状的系统包含多个相邻的结构条板，该多个相邻的结构条板轴向对齐以形成结构翼梁。至少一个条板用形状记忆合金形成。形状记忆材料的特点是当加热时从材料的马氏体相到加热到奥氏体上的形状转变。当冷却时，形状记忆合金从奥氏体相回到马氏体相。系统还包含温度控制系统以控制形状记忆合金条板的温度。施加给形状记忆合金条板的热量移动到奥氏体相，其中形状记忆合金条板改变为调整的/变化的构造（扭转的构造），其引起结构翼梁扭转。例如，结构翼梁的扭转将扭转直升机旋翼叶片。旋翼叶片的扭转提供在盘旋和向前飞行之间的空气动力学最佳性，并增加提升能力。在盘旋和向前飞行之间的空气动力学最佳性引起成本节约，例如，因改进的外壳性能产生的燃料节约。另外，叶片扭转可容许叶片中更高的谐波控制技术的整合。应该理解，下面的描述参照示例性直升机旋翼叶片，但是也可用于飞机机翼和用于航天和非航天应用的其他结构。
参考附图，图1是示例性飞机10的透视图，飞机10包含机身12、连接到机身12的机翼14和16，以及分别地连接到机翼14和16的发动机18和20。机翼14和16具有上机翼蒙皮22、下机翼蒙皮24、翼根26、翼梢28和在上机翼蒙皮22和下机翼蒙皮24之间的至少一个翼梁30。
图2是示例性直升机34的透视图，直升机34包含机身36、尾桁38和多个旋翼叶片40。旋翼叶片40耦合到轮毂42。旋翼叶片40包含从旋翼叶片40的根部46延伸到末端48的至少一个结构翼梁44。
图3是具有结构翼梁44的旋翼叶片40的示例性实施例的透视图，图4是结构翼梁44的一部分的放大的透视图。旋翼叶片40包含连接到轮毂42（图2所示）的根部46和叶片梢48。结构翼梁44在叶片根部46和叶片梢48和周围的空气动力学形状的结构蒙皮50之间纵向地延伸。结构翼梁44的形状通常是矩形的，结构蒙皮50的形状是弧形的螺旋桨的形状。也可利用其他形状的结构50。
结构翼梁44由轴向对齐的多个结构条板52构成。至少一个或更多个结构条板52用形成形状记忆合金条板54的形状记忆合金制造。形状记忆合金条板54的应用利用翼梁明沟硬度和暗沟硬度之间的差异来改变结构翼梁44的形状。形状记忆合金条板54用于取代结构翼梁44的一个或更多个条板52。可使用任何适当的形状记忆合金，例如但不限于，镍-钛基合金、镍-钛-铂基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、镍-铝-铂基合金、镍-镓基合金、铜基合金、金-镉基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、锰-铜基合金、钌-铌基合金、钌-钽基合金、钛基合金、铁基合金等等。
双向形状记忆材料的特点是加热时从马氏体相到奥氏体相的形状转变，以及冷却时从奥氏体相回到马氏体相的形状转变。表现双向形状记忆效果的形状记忆合金结构由将恢复到其“记忆的”低温形状的形状记忆合金组合物制作。通过加工调整形状记忆材料而赋予双向形状记忆性能。这样的加工可包含在奥氏体相期间材料的极端变形，和在约束、负载和/或转向下的加热-冷却。一旦材料被调整成表现双向形状记忆效果，低温状态和高温状态之间的形状改变通常是可逆的，并允许经过大量的热循环。
形状记忆合金条板54可被调整为变形成期望的奥氏体（例如，扭转的或弯曲的）形状。在一个实施例中，形状记忆合金条板54在切变下被调整。当形状记忆合金材料被冷却至马氏体相时，形状记忆合金条板54恢复到未变形的形状记忆合金条板54的形状。
温度控制系统56可用于控制形状记忆合金条板54的温度。温度控制系统56包含加热元件58，该加热元件58可能是韧性薄膜上或固体模块中的电阻丝。同样，绝缘的镍铬铁合金带可适于用作加热元件32。镍铬铁合金是镍、铬和铁的无磁性合金。镍铬铁合金是可用作加热元件的电阻丝或带状物。镍铬铁合金带可以从新泽西州的Madison AveMorristown的Driver Harris公司购得。加热元件58邻近形状记忆合金条板54放置，以便促进加热形状记忆合金从马氏体相转移为奥氏体相，在奥氏体相中形状记忆合金条板54扭转（或弯曲），其引起叶片40扭转（或弯曲）。当形状记忆合金条板54的温度冷却时，形状记忆合金材料恢复到马氏体相，在马氏体相中形状记忆合金条板54恢复到非变形的形状，其引起叶片40返回到非扭转的（或非弯曲的）形状。
图5是处于扭转状态的结构翼梁44的一部分的放大的透视图。在图4中示出结构翼梁44的非扭转状态。为了使结构翼梁44从非扭转状态转移到扭转状态，温度控制系统56允许来自动力源60的动力流过连接到形状记忆合金条板54的加热元件。流过加热元件58的动力提高加热元件58的温度，加热元件58进而提高形状记忆合金条板54的温度。增加的温度使形状记忆合金条板54的形状记忆合金从马氏体相移动到奥氏体相。如以上解释的，形状记忆合金条板54可在剪切下被调整，从而变形成期望的奥氏体（例如，扭转的或弯曲的）形状。通过使形状记忆合金条板54移动到奥氏体相，形状记忆合金条板54扭转，引起结构翼梁44扭转，其之后扭转旋翼叶片40。温度控制系统56可降低流过加热元件58的动力的量，从而降低形状记忆合金条板54的温度，以便使形状记忆合金条板54的形状记忆合金从奥氏体相移动到马氏体相。然后，形状记忆合金条板54将返回到非扭转的状态，引起旋翼叶片40返回到非扭转的状态。在一个实施例中，偏移监视装置60可用于监视结构翼梁44的偏移量。偏移监视装置60耦合到温度控制系统56，并向温度控制系统56发送信号，以便提高或降低形状记忆合金条板54的温度，从而增加或减少结构翼梁44的偏移量。
参考图6，扭转旋翼叶片的方法80包含由多个结构条板形成旋翼叶片的结构翼梁的步骤82，至少一个结构条板是形状记忆合金条板。以上描述的任何合适的形状记忆合金可用于形成形状记忆合金条板。方法80还包含步骤84，将温度控制系统连接到结构翼梁上，从而控制至少一个形状记忆合金条板的温度。温度控制系统包含连接到至少一个形状记忆合金条板的至少一个加热元件。进一步地，方法80包含步骤86，将热量施加给至少一个形状记忆合金条板，从而引起结构翼梁扭转，其扭转旋翼叶片。加热形状记忆合金条板使形状记忆合金从马氏体相移动到奥氏体相，这引起形状记忆合金条板扭转（或弯曲），形状记忆合金条板扭转（或弯曲）引起旋翼叶片扭转（或弯曲）。另外，方法80包含步骤88，冷却至少一个形状记忆合金条板，从而返回到结构翼梁的非扭转的形状，其使旋翼叶片返回到旋翼叶片的非扭转的形状。
执行采样有限元分析，从而示出整合到翼梁上的形状记忆合金通过施加热量扭转翼梁的能力。图7示出主动翼梁90的一部分的放大的透视图，主动翼梁90包含位于翼梁90的相对侧上的两个形状记忆合金条板92和94。主动翼梁90的性能在正常的温度下和在引起主动翼梁90扭转的形状记忆合金条板92和94的升高的温度下测量。虚线96和98示出翼梁90从基线到激发的翼梁的移动。线96指示在正常温度下主动翼梁90的位置，和线98指示在形状记忆合金条板92和94的升高的温度下主动翼梁90的位置。示出在主动翼梁90的位置改变（扭转）期间在线96与线94之间的主动翼梁90的旋转角A。在形状记忆条板92和94的升高的温度下，旋转角A大约是4度。在示例有限元分析中，与非主动翼梁相比，主动翼梁90每12英寸扭转2度，并且重量增加1.5磅。在下面的表格1中示出测量的性能。
表格1
翼梁性能 翼梁基线 激活的翼梁
翼梁宽度（in） 6 6
高度（in） 2 2
厚度 0.286 0.329
长度（in） 24 24
SMA厚度（in） 0 0.3
SMA高度（in） 0 0.775
旋转角（度） 0 4
JG(M lb-in2) 25 25
重量（1bs） 9.09 12.73
弯曲刚度（短）（Msi） 25.2 26.4
弯曲刚度（长）（Msi） 157 150
伸展刚度（Msi） 425 450
上述形状记忆合金主动翼梁44和90可用于飞机机翼或尾翼、旋翼，以及其他航空和非航空的结构、部件和元件上，包含地面结构和基于地面的交通工具、水基结构和交通工具。形状记忆合金材料用在翼梁44和90中促进翼梁44和90的扭转、弯曲和其他构造。改变翼梁44和90的构造可促进飞机机翼、旋翼和/或航空结构的空气动力学最优化。空气动力学最优化可以产生成本节约，例如，因改进的外壳性能产生的燃料节约。
此书面描述利用示例公开本公开，包括最佳实施方式，并且也使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和利用任何设备或系统，和执行任何所包含的方法。本公开的专利性范畴通过权利要求限定，并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言相同的结构元件，或如果它们包含与权利要求的字面语言具有无实质差异的等效的结构元件，则这些其他示例倾向于在权利要求的范畴内。

Claims (15)

1.一种用于改变结构翼梁的形状的系统，所述系统包括：
多个相邻的结构条板，其轴向对齐以形成所述结构翼梁，至少一个所述结构条板包括形状记忆合金；和
控制所述至少一个形状记忆合金条板的温度的温度控制系统；
其中施加给所述至少一个形状记忆合金条板的热量引起所述结构翼梁扭转或弯曲。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述形状记忆合金条板包括镍-钛基合金、镍-钛-铂基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、镍-铝-铂基合金、镍-镓基合金、铜基合金、金-镉基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、锰-铜基合金、钌-铌基合金和钌-钽基合金中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个形状记忆合金条板被调整切变。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述结构翼梁放置在旋翼叶片、飞机机翼或尾翼和其他航空和非航空结构、部件和元件中，包含地面结构和基于地面的交通工具、水基结构和交通工具。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述温度控制系统被配置为加热所述至少一个形状记忆合金条板，和此后冷却所述至少一个形状记忆合金条板。
6.一种结构翼梁，其包括：
多个相邻的结构条板，其形成所述结构翼梁，至少一个所述条板包括形状记忆合金条板；和
至少一个加热元件，其邻近所述至少一个形状记忆合金条板放置，以改变所述至少一个形状记忆合金条板的温度，其中施加给所述至少一个形状记忆合金条板的热量引起所述结构翼梁扭转或弯曲。
7.根据权利要求6所述的结构翼梁，其中所述形状记忆合金包括镍-钛基合金、镍-钛-铂基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、镍-铝-铂基合金、镍-镓基合金、铜基合金、金-镉基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、锰-铜基合金、钌-铌基合金和钌-钽基合金中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的结构翼梁，其中所述至少一个形状记忆合金条板被调整切变。
9.根据权利要求6所述的结构翼梁，其中所述结构翼梁放置在旋翼叶片、飞机机翼或尾翼和其他航空和非航空结构、部件和元件中，包含地面结构和基于地面的交通工具、水基结构和交通工具。
10.根据权利要求6所述的结构翼梁，其进一步包括耦合到所述至少一个加热元件的温度控制系统。
11.根据权利要求6所述的结构翼梁，其中所述至少一个形状记忆合金条板在第一温度下处于马氏体相，并且其中当所述一个形状记忆合金条板在比所述第一温度高的第二温度下时，处于奥氏体相，所述至少一个记忆条板的所述奥氏体相引起所述结构翼梁扭转或弯曲。
12.一种扭转旋翼叶片的方法，所述方法包括：
由多个相邻的结构条板形成结构翼梁，所述多个相邻的结构条板轴向对齐以形成所述结构翼梁，至少一个所述条板包括形状记忆合金条板；
将温度控制系统连接到所述结构翼梁，从而控制所述至少一个形状记忆合金条板的温度；和
将热量施加给所述至少一个形状记忆合金条板，以引起所述结构翼梁扭转，所述结构翼梁扭转使所述旋翼叶片扭转。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括冷却所述至少一个形状记忆合金条板，从而恢复到所述结构翼梁的非扭转的形状。
14.根据权利要求12所述的方法，其中将温度控制系统连接到所述结构翼梁包括将加热元件连接到所述至少一个形状记忆合金条板。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一个形状记忆合金条板在第一温度下处于马氏体相，并且其中所述至少一个形状记忆合金条板在比所述第一温度高的第二温度下，处于奥氏体相，所述至少一个记忆合金条板的所述奥氏体相引起所述结构翼梁扭转。
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