CN103552696A - 基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构 - Google Patents

Abstract

一种基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，包括多个立方体连接端部和多个形状记忆聚合物可伸缩单元，形状记忆聚合物可伸缩单元的两端分别与立方体连接端部的一个面连接，进而形成桁架式的立方体式空间可展开框架，所述的形状记忆聚合物可伸缩单元包括多节伸缩套筒、多个三角形折叠片、多个圆环连接件和多个附属连接件，通过加热元件加热形状记忆聚合物片层，形状记忆聚合物片层加热后变形伸展，从而来带动伸缩套筒发生伸长变形，伸缩套筒伸长后实现立方体式空间可展开框架结构的展开。本发明的结构简单可靠，稳定性高，结构展开所需驱动力较小，过程比较平稳，对系统的冲击小，尤其避免了展开开始瞬间和锁紧末期剧烈的冲击载荷。

Description

基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及一种基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构。

背景技术

在近三十年至四十年来，随着航天科技的不断发展而出现了一种新型结构物——空间可展结构。空间可展结构的内部支撑结构及展开驱动装置制约着空间可展结构的发展，目前空间可展结构大多数采用充气式或机械式展开及支撑的方式，普遍存在机械结构复杂、展开难度高、不易操作、不稳定、易受冲击损坏、成本高等一系列缺点，从而使现有空间可展结构在月球居住舱的设计等航天领域中的应用受到很大的约束。为了解决上述空间可展开结构存在的种种问题，形状记忆聚合物作为具有记忆特性的新型智能材料，应用到空间可展开结构中，降低了其机械结构复杂程度和展开难度，方便了操作，提高了结构的稳定性及实用性。现有的空间可展结构在太空中存在的机械结构复杂、展开难度高、不易操作、不稳定、易受冲击损坏、成本高的问题。

发明内容

基于以上不足之处，提供了一种基于形状记忆聚合物(shape memorypolymers，简称SMPs)的框架式空间可展开结构，该结构可作为空间可展结构的支撑结构，同时可实现展开驱动与支撑一体化，进而提高空间可展结构在各类航天器中的稳定性及实用性。

本发明所采用的技术如下：一种基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，包括多个立方体连接端部和多个形状记忆聚合物可伸缩单元，形状记忆聚合物可伸缩单元的两端分别与立方体连接端部的一个面连接，进而形成桁架式的立方体式空间可展开框架，所述的形状记忆聚合物可伸缩单元包括多节伸缩套筒、多个三角形折叠片、多个圆环连接件和多个附属连接件，在伸缩套筒的每节的上都安装有圆环连接件，每个三角形折叠片的两个底角端分别通过两个附属连接件与两个相邻的圆环连接件铰接，三角形折叠片的顶角端安装有多层形状记忆聚合物片层，形状记忆聚合物片层上连接有加热元件，通过加热元件加热形状记忆聚合物片层，形状记忆聚合物片层加热后变形伸展，从而来带动伸缩套筒发生伸长变形，伸缩套筒伸长后实现立方体式空间可展开框架结构的展开。

本发明具有如下技术特征：

1、所述的形状记忆聚合物为苯乙烯类形状记忆聚合物或环氧类形状记忆聚合物。

2、所述的形状记忆聚合物或为形状记忆聚合物与增强纤维结合的复合材料，纤维增强材料为碳纤维、玻璃纤维、石墨粉或碳纳米管。

3、所述的圆环连接件沿其圆周成120°与三个三角形折叠片的底角端分别通过三个附属连接件铰接。

4、所述的片层为圆弧片层，其横截面圆弧角为90°-180°。

5、加热方式为外贴电热膜加热、外涂导电胶加热、内埋电阻丝加热或直接加热。

6、所述的桁架单元中各连接件中的三翼式片层单元能够同时或逐级展开。

7、所述的框架结构能够实现单个方向依次展开或多个方向同时展开。

8、所述的复合材料中纤维铺层数为1-9层。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明在展开过程中刚度、强度较高，变形回复力较大，运动稳定性和可靠性较高，形状保持能力较好，密度低，成本低，能够克服传统机械式空间可展开结构的缺陷并满足空间特殊要求。本发明可以将动力与锁定功能集于一身，大大减小可展开结构的复杂度。本发明采用了四个相连小立方体框架结构单元组合形式，即提高了框架结构作为支撑结构的刚度，又可以做到空间可展结构内部分区，使每个空间各司其职，实现不同功能一体化。本发明桁架单元收缩和展开长度可依据实际需要而设计，从而实现独立空间结构大小调节。本发明提高了空间可展结构在各类航天器中的适用性，它具有如下优点：

(1)结构简单可靠，稳定性高，质量轻。

(2)结构可作为空间可展结构的支撑结构及展开驱动装置。

(3)结构展开所需驱动力较小，过程比较平稳，对系统的冲击小，尤其避免了展开开始瞬间和锁紧末期剧烈的冲击载荷。

(4)具有设计的灵活性。

(5)实现了对空间的灵活分割及应用。

(6)实现了展开锁定结构一体化。

附图说明

图1是本发明框架结构示意图；

图2是本发明的三翼式折叠变形片层示意图；

图3是本发明的片层及加热元件示意图；

图4是本发明的第一立方体连接端部示意图；

图5是本发明的第二立方体连接端部示意图；

图6是本发明的第三立方体连接端部示意图；

图7是本发明的第一圆环连接件示意图；

图8是本发明的第二圆环连接件示意图；

图9是本发明的附属连接件示意图；

图10是本发明框架结构展开过程示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图举例进一步说明：

实施例1

一种基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，包括多个立方体连接端部1和多个形状记忆聚合物可伸缩单元2，形状记忆聚合物可伸缩单元2的两端分别与立方体连接端部1的一个面连接，进而形成桁架式的立方体式空间可展开框架，所述的形状记忆聚合物可伸缩单元2包括多节伸缩套筒3、多个三角形折叠片4、多个圆环连接件5和多个附属连接件6，在伸缩套筒3的每节的上都安装有圆环连接件5，所述的圆环连接件沿其圆周成120°与三个三角形折叠片的底角端分别通过三个附属连接件铰接，每个三角形折叠片4的两个底角端分别通过两个附属连接件6与两个相邻的圆环连接件5铰接。三角形折叠片4的顶角端安装有多层形状记忆聚合物片层7，形状记忆聚合物片层7上连接有加热元件8，通过加热元件8加热形状记忆聚合物片层7，形状记忆聚合物片层7加热后变形伸展，从而来带动伸缩套筒3发生伸长变形，伸缩套筒3伸长后实现立方体式空间可展开框架结构的展开。所述的片层为圆弧片层，其横截面圆弧角为90°-180°。加热方式为外贴电热膜加热、外涂导电胶加热、内埋电阻丝加热或直接加热。所述的桁架单元中各连接件中的三翼式片层单元能够同时或逐级展开。所述的框架结构能够实现单个方向依次展开或多个方向同时展开。所述的复合材料中纤维铺层数为1-9层。

实施例2

结合图1-10图，说明本实施方式。本实施方式将加热元件8——导电胶涂抹于形状记忆聚合物片层7表面，通过控制输出电压使电流经过导电胶进而产生热量，热量直接传导至形状记忆聚合物片层7，使片层材料达到形状记忆聚合物复合材料玻璃态转变温度，从而回复形状使得伸缩套筒3伸长，实现了整个框架结构的展开。

实施例3

结合图1-10图，说明本实施方式。本实施方式将加热元件8——电阻膜粘贴于形状记忆聚合物片层7表面，通过控制输出电压使电流经过电阻膜进而产生热量，热量直接传导至形状记忆聚合物片层7内侧，使形状记忆聚合物片层7材料达到形状记忆聚合物复合材料玻璃态转变温度，从而使形状记忆聚合物片层7驱动伸展。如此设置，材料成本较低，加热装置容易设置，方便检测加热元件。其它组成、连接关系及实施方式与实施例1相同。

实施例4

结合图1-10图，说明本实施方式。本实施方式将加热元件8——电阻丝埋入形状记忆聚合物片层7内，通过控制输出电压使电流经过电阻丝通电发热使形状记忆聚合物片层7驱动伸展。如此设置，形状记忆聚合物片层7受热速度快，受热充分，节约能源。但不利于检测加热元件是否完好。其它组成、连接关系及实施方式与实施例1相同。

实施例5

结合图1-10图，说明本实施方式。本实施方式直接在形状记忆聚合物片层7两端施以电压，通过控制输出电压使电流通过碳纤维导电生热，从而进行驱动伸展。如此设置，利用碳纤维的导电特性，使设计结构简化，但所需驱动伸展时间长。其它组成、连接关系及实施方式与实施例1相同。所述的形状记忆聚合物为苯乙烯类形状记忆聚合物或环氧类形状记忆聚合物。

实施例6

结合图1-10图，说明本实施方式。本实施方式为伸缩套筒3之间通过摩擦实现锁定，折叠变形片层通过加热元件加热回复形状，从而使得伸缩套筒3伸长，实现了整个框架结构的展开。

实施例7

结合图1-10图，说明本实施方式。本实施方式将伸缩套筒3内壁里涂刷防滑材料，使各级伸缩套筒3间摩擦力加强，从而实现锁定。其它组成、连接关系及实施方式与实施例5相同。

实施例8

结合图1-10图，说明本实施方式。伸缩套筒3之间设计锁扣，锁扣类似于雨伞中心杆，锁扣由基底、弹簧及滚珠组成如图，使得伸缩套筒3在展开完成后自动锁死。其它组成、连接关系及实施方式与实施例5相同。

实施例9

结合图1-10图，说明本实施方式。片层安装加热元件，通过电功率可以控制折叠片层的展开时间，使所有加热元件同时获得相同大小电功率，折叠片层同时回复形状，从而驱动框架结构同时向三个方向展开，实现了整个框架结构的展开。如此设置，实现三向同时展开，有效的节约了可展结构的展开时间。

实施例10

结合图1-10图，说明本实施方式。形状记忆聚合物片层安装加热元件，通过电功率可以控制折叠形状记忆聚合物片层的展开时间。三翼式折叠变形形状记忆聚合物片层单元中各形状记忆聚合物片层加热元件同时获得相同大小电功率，以实现三翼式折叠变形形状记忆聚合物片层单元展开。桁架单元中各三翼式折叠变形形状记忆聚合物片层单元从一端开始依次通电，以实现三翼式折叠变形形状记忆聚合物片层单元的逐级展开。如此设置，保证了各个三翼式折叠变形形状记忆聚合物片层单元的充分展开，但增加了展开时间。其它组成、连接关系及实施方式与实施例8相同。

工作原理

结合图1-10图，说明本发明的工作原理。本发明采用的形状记忆聚合物是一种智能材料，它能够在外部条件改变下实现完成了一个“记忆起始态一固定变形态一恢复起始态”的变形循环。首先将形状记忆聚合物片层安装加热元件，之后对形状记忆聚合物片层进行加热，待达到其玻璃化转变温度后，将形状记忆聚合物片层按实际需要折叠为一定形状，形状记忆聚合物片层保持约束下冷却变硬，回复常温的强度；将折叠后的形状记忆聚合物片层装配于空间可展开结构；当空间可展开机构需要展开时，对加热元件通电，加热形状记忆聚合物片层，待形状记忆聚合物片层在达到玻璃化转变温度后回复原来形状，同时驱动伸缩套筒一起展开，从而实现框架结构的展开，框架结构具体展开过程如10图所示。

Claims (9)

1.基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，其特征在于：包括多个立方体连接端部(1)和多个形状记忆聚合物可伸缩单元(2)，形状记忆聚合物可伸缩单元(2)的两端分别与立方体连接端部(1)的一个面连接，进而形成桁架式的立方体式空间可展开框架，所述的形状记忆聚合物可伸缩单元(2)包括多节伸缩套筒(3)、多个三角形折叠片(4)、多个圆环连接件(5)和多个附属连接件(6)，在伸缩套筒(3)的每节的上都安装有圆环连接件(5)，每个三角形折叠片(4)的两个底角端分别通过两个附属连接件(6)与两个相邻的圆环连接件(5)铰接，三角形折叠片(4)的顶角端安装有多层形状记忆聚合物片层(7)，形状记忆聚合物片层(7)上连接有加热元件(8)，通过加热元件(8)加热形状记忆聚合物片层(7)，形状记忆聚合物片层(7)加热后变形伸展，从而来带动伸缩套筒(3)发生伸长变形，伸缩套筒(3)伸长后实现立方体式空间可展开框架结构的展开。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，其特征在于：所述的形状记忆聚合物为苯乙烯类形状记忆聚合物或环氧类形状记忆聚合物。

3.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，其特征在于：所述的形状记忆聚合物或为形状记忆聚合物与增强纤维结合的复合材料，纤维增强材料为碳纤维、玻璃纤维、石墨粉或碳纳米管。

4.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，其特征在于：所述的圆环连接件沿其圆周成120°与三个三角形折叠片的底角端分别通过三个附属连接件铰接。

5.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，其特征在于：所述的片层为圆弧片层，其横截面圆弧角为90°-180°。

6.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，其特征在于：加热方式为外贴电热膜加热、外涂导电胶加热、内埋电阻丝加热或直接加热。

7.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，其特征在于：所述的桁架单元中各连接件中的三翼式片层单元能够同时或逐级展开。

8.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，其特征在于：所述的框架结构能够实现单个方向依次展开或多个方向同时展开。

9.根据权利要求3所述的基于形状记忆聚合物的框架式空间可展开结构，其特征在于：所述的复合材料中纤维铺层数为1-9层。

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