CN105221371B - 一种基于形状记忆合金的可展柱状张拉整体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金的可展柱状张拉整体结构，目前尚无采用形状记忆合金的可展柱状张拉整体结构。本发明中的可展柱状张拉整体结构在拉索中嵌入形状记忆合金，结构在折叠状态时，形状记忆合金处于马氏体态，拉索松弛。当温度上升到相变阈值时，形状记忆合金发生马氏体相变，产生回缩，从而张拉张拉整体结构的拉索，驱动结构逐步展开，并最终达到稳定的展开状态。

Description

一种基于形状记忆合金的可展柱状张拉整体结构

技术领域

本发明涉及一种可展柱状张拉整体结构，尤其涉及一种基于形状记忆合金的可展柱状张拉整体结构。

背景技术

可展结构是一种具有完全折叠、完全展开两种状态的新型结构形式，适用于航空航天、建筑结构等领域。该结构在折叠状态下体积较小，便于存储运输。在一定驱动条件下，结构展开为占据较大体积的展开状态，满足工作要求。

张拉整体结构是由张力索和压杆构成的预应力自平衡体系，结构刚度由预应力提供。该结构是可展结构的一种理想结构形式，具有重量轻、收纳率高等优点，发展潜力大。在现有的可展张拉整体结构中，通常采用电机、液压装置或可折叠节点作为结构的展开驱动装置，尚无利用形状记忆合金作为展开驱动装置的可展张拉整体结构。

发明内容

本发明的目的是通过在拉索中引入形状记忆合金，实现新的可展柱状张拉整体结构形式。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种嵌入形状记忆合金的柱状张拉整体结构，拉索的部分或全部长度由形状记忆合金元件代替，构成若干嵌入形状记忆合金的n(n≥3)棱柱张拉整体基本模块，m(m≥1)个基本模块进行竖向叠加组合，构成m层n棱柱张拉整体可展结构。

进一步地，在折叠状态时，结构的所有拉索，包括嵌入形状记忆合金的拉索和未嵌入形状记忆合金的拉索，都处于松弛状态，结构的所有压杆束成一捆或“倒塌”至同一平面，形状记忆合金处于马氏体态。

进一步地，当形状记忆合金的温度上升达到相变阈值时，形状记忆合金由马氏体态转变为奥氏体态，形状记忆合金的长度缩短。在形状记忆合金发生相变和长度缩短的过程中，张拉所连接的拉索，进而整个结构发生位移。

进一步地，形状记忆合金相变结束，结构达到完全展开的状态，结构内部存在自平衡的预应力。

进一步地，展开后的张拉整体结构中的压杆、拉索、形状记忆合金元件共同工作，承受设计荷载。

本发明的有益效果是，利用形状记忆合金独特的形状记忆效应，控制可展张拉整体结构的展开过程，不需引入额外的作动装置，具有体积小、高精度、高可靠性的特点。

附图说明

图1为本发明中嵌入形状记忆合金的主动索的示例图。

图2为本发明中n＝3时单层可展柱状张拉整体结构的展开状态示例图。

图3为本发明中n＝4时单层可展柱状张拉整体结构的展开状态示例图。

图4为本发明中n＝3时可展柱状张拉整体端模块示例图。

图5为本发明中n＝3时双层可展柱状张拉整体结构的展开状态示例图。

图6为本发明中n＝4时可展柱状张拉整体端模块示例图。

图7为本发明中n＝4时双层可展柱状张拉整体结构的展开状态示例图。

图8为本发明中n＝3时可展柱状张拉整体中间模块示例图。

图9为本发明中n＝3时三层可展柱状张拉整体结构的展开状态示例图。

图10为本发明中n＝4时可展柱状张拉整体中间模块示例图。

图11为本发明中n＝4时三层可展柱状张拉整体结构的展开状态示例图。

图12为本发明中n＝3时单层可展柱状张拉整体结构的折叠状态示例图。

图13为本发明中n＝4时单层可展柱状张拉整体结构的折叠状态示例图。

图14为本发明中n＝3时非单层可展柱状张拉整体结构的折叠状态示例图。

图15为本发明中n＝4时非单层可展柱状张拉整体结构的折叠状态示例图。

图中，压杆1，未嵌入形状记忆合金的普通拉索2，嵌入形状记忆合金的主动拉索3，普通索段31，形状记忆合金32。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

形状记忆合金具有低温马氏体态和高温奥氏体态两种相态，当温度变化时，材料内部的微观结构发生马氏体和奥氏体的相互转换，并在宏观上表现出长度变化。通过训练，可以使得形状记忆合金马氏体态长度大于奥氏体态长度，并满足一定变形量要求。在拉索中嵌入形状记忆合金作为主动索，结构在折叠和展开状态下，形状记忆合金分别处于马氏体态和奥氏体态，拉索分别处于松弛状态和张紧状态，主动索在折叠状态下的总长度大于展开状态下的总长度。当形状记忆合金的温度上升到相变阈值时，形状记忆合金发生由马氏体态到奥氏体态的转变，形状记忆合金长度缩短，主动索总长度缩短，从而张紧拉索，结构从折叠状态转变到展开状态。

根据具体情况，形状记忆合金可嵌入结构中的部分或全部拉索；形状记忆合金元件可代替主动拉索的部分或全部长度；形状记忆合金元件可采用满足长度收缩量与驱动力要求的形状记忆合金丝或形状记忆合金弹簧。图1所示为采用形状记忆合金弹簧代替部分长度的主动拉索的典型情况。

当为单层体系时(m＝1)，整个结构由单个独立模块组成，单个独立模块包括2n个节点、n根压杆；端部构成n边形的索记为环索，共计2n根；其余拉索记为斜索，共计n根。如图2所示为n＝3时单层可展柱状张拉整体结构展开时的姿态示例，环索嵌入形状记忆合金作为主动索，其余拉索为普通拉索；如图3所示为n＝4时单层可展柱状张拉整体结构展开时的姿态示例，环索嵌入形状记忆合金作为主动索，其余拉索为普通拉索。

当为双层体系时(m＝2)，整个结构由2个端模块组成，每个端模块包括3n个节点、n根压杆；端部构成n边形的索记为环索，共计n根；端部构成2n边形的索记为鞍索，共计2n根；连接上下多边形的拉索，若拉索两端节点属于同层，如B1c1等，拉索记为斜索，共计n根；连接上下多边形的拉索，若拉索两端节点属于不同层，如B1A2等，拉索记为附加索，共计n根。如图4所示为n＝3时单个端模块的组成情况，环索、鞍索嵌入形状记忆合金作为主动索，斜索、附加索为普通拉索；如图5所示为n＝3时双层可展柱状张拉整体结构展开时的姿态。如图6所示为n＝4时单个端模块的组成情况，环索、鞍索、附加索嵌入形状记忆合金作为主动索，斜索为普通拉索；如图7所示为n＝4时双层可展柱状张拉整体结构展开时的姿态。

当为多层体系时(m≥3)，整个结构由2个端模块和m-2个中间模块组成，每个端模块的组成同m＝2时，每个中间模块包括4n个节点、n根压杆；端部构成2n边形的索记为鞍索，共计4n根；连接上下多边形的拉索，若拉索两端节点属于同层，如B2a2等，拉索记为斜索，共计n根；连接上下多边形的拉索，若拉索两端节点属于不同层，如B2C3等，拉索记为附加索，共计2n根。如图8所示为n＝3时单个中间模块的组成情况，鞍索嵌入形状记忆合金作为主动索，斜索、附加索为普通拉索；如图9所示为n＝3时三层可展柱状张拉整体结构展开时的姿态。如图10所示为n＝4时单个中间模块的组成情况，鞍索、附加索嵌入形状记忆合金作为主动索，斜索为普通拉索；如图11所示为n＝4时三层可展柱状张拉整体结构展开时的姿态。

可展柱状张拉整体结构的折叠状态为可收纳的状态，占据体积较小，便于进行储存运输。图12和图13分别为单层三棱柱可展张拉整体结构和单层四棱柱可展张拉整体结构的折叠状态示例，结构环索嵌入形状记忆合金作为主动索，在折叠状态下，拉索处于松弛状态，压杆折叠至同一平面。对于m≥2的非单层体系，具有类似的折叠姿态，如图14和图15分别为非单层可展三棱柱张拉整体结构和非单层可展四棱柱张拉整体结构折叠状态示例，结构环索、鞍索嵌入形状记忆合金作为主动索，四棱柱张拉整体的附加索嵌入形状记忆合金作为主动索，在折叠状态下，拉索处于松弛状态，压杆折叠至同一平面。

设计基于形状记忆合金的可展柱状张拉整体结构时，保持展开前后压杆长度不变，对具体模型进行折叠状态设计，由折叠方案的几何分析得到拉索折叠状态长度，与拉索展开状态长度比较得到拉索变形量，进行形状记忆合金元件布置和参数选择，保证结构构件可以满足结构折叠、展开状态下的长度要求，从而得到一系列构成柱状张拉整体结构的基本模块。将基本模块进行竖向叠加组合，得到满足预设几何构型要求的可展柱状张拉整体结构。

Claims (4)

1.一种基于形状记忆合金的可展柱状张拉整体结构，其特征在于，所述柱状张拉整体结构是由若干嵌入形状记忆合金的基本模块通过竖向叠加组合而成的预应力自平衡体系，所述基本模块由拉索和压杆构成，所述拉索由普通索段和形状记忆合金相连组成，所述形状记忆合金的长度为0-1L，L为拉索的长度；在结构处于折叠和展开状态时，形状记忆合金分别处于马氏体态和奥氏体态。

2.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的可展柱状张拉整体结构，其特征在于，结构的展开状态为具有稳定的自平衡预应力的柱状张拉整体结构，结构的折叠状态为松散的、可收纳的状态。

3.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的可展柱状张拉整体结构，其特征在于，以形状记忆合金为展开作动器，展开过程通过形状记忆合金发生马氏体相变提供驱动力。

4.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的可展柱状张拉整体结构，其特征在于，所述形状记忆合金为形状记忆合金丝或形状记忆合金弹簧。