CN106273083A - 一种智能复合材料主动器的模具工装组件及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能柔性复合材料主动器的模具工装组件及制备方法，智能柔性复合材料主动器的模具工装组件包括模具和工装。制备主动器时，须先对SMA线进行张拉记忆培训，张拉后需要并在SMA线的中间段处夹持铝合金卡件，使得铝合金卡件之间的间距小于主动器模具长度5～10mm，将SMA线穿过短向挡板的通孔后放入模具中，使得铝合金卡件位于模具内侧，而后在SMA线拉直的状态下缓慢均匀注入抽真空过的PDMS胶体，在主动器脱模时可分步进行拆卸模具零件。本发明可以做到事先张拉SMA线，通过标记、测量最终计算出SMA线的张拉预应变，柔性智能复合材料主动器制备过程具有操作简单，可控性强的优点，采用装配式模具易于制备模具零件，并且拆卸主动器模具时也更为方便。

Description

一种智能复合材料主动器的模具工装组件及制备方法
技术领域
本发明涉及智能材料与结构及制备技术领域，尤其涉及一种智能复合材料主动器的模具工装组件及制备方法。
背景技术
智能柔性复合材料主动器是指将SMA线(Shape Memory Alloy wires)植入柔性基体材料，或者含有普通纤维和基体的复合材料介质，所生成的具有多功能和自适应特征的复合材料结构。该结构可应用于空间站技术、机械工程、交通能源以及国防工业和航天工程等尖端科技领域，并且慢慢开始向生物医学、日常民用品、仿生学等领域渗透。
张晓梅，史建栋等著的“SMA及其智能复合材料在振动控制中的应用”(中北大学学报，2006,27(1):90-94)描述了有利于结构抗震的SMA材料力学行为，具有特殊滞回性能的应力诱发超弹性效应和形状记忆效应；介绍了一些典型的SMA阻尼器。
沈亚鹏，张臻等著的“SMA增强复合材料的热力学特性研究”(全国智能材料断裂与破坏学术会议，2003)详细介绍了SMA增强弹性基体/弹塑性基体复合材料热力学性能研究的概况，着重论述了复合材料本构方程的基于宏细观力学相结合的理论构建和数值模拟。
王通著的“形状记忆复合材料桁架结构的动力学行为研究”(哈尔滨工业大学硕士论文，2013.6)基于碳纤维增强的形状记忆聚合物复合材料铰链，建立三翼式桁架结构模型，并对其进行动力学分析。
Wang W,Rodrigue H,Ahn S H著的“Smart Soft Composite Actuator withShape Retention Capability using Embedded Fusible Alloy Structures”(Composites Part B Engineering,2015,78:507–514)研制了一种能够在高刚度和低刚度状态下切换的形状记忆合金主动器，通过嵌入低熔点合金(Fusible alloy)保持结构的刚度。
Wang G,Shahinpoor M.Design著的“prototyping and computer simulationsof a novel large bending actuator made with a shape memory alloy contractilewire”(Smart Materials&Structures,1997,6(6):214-221)研制了一种在圆柱型柔性梁中嵌入塑性管和SMA线的大变形主动器，通过数学模型和数值模拟对其力学行为进行了预测。
目前国内文献大多针对SMA线利用形状记忆特性结合弹性基体对其热力学行为进行理论研究和数值建模，或是针对形状记忆聚合物复合材料形成的铰链进行研究；国外文献虽涉及到智能柔性复合材料主动器但对主动器具体制备技术即模具和工装及制备方法保密或少介绍。
发明内容
有鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种构造简单、低成本的智能柔性复合材料主动器的模具工装组件及制备方法，采用装配式模具的优点在于便于制作模具零件，并且在制作完成主动器后方便脱模。
为实现上述目的，本发明提供了一种智能复合材料主动器的模具工装组件及制备方法，具体地，本发明提供的技术方案如下：
一种智能柔性复合材料主动器模具工装组件，包括模具和工装；
模具包括长条凸型底板、长向挡板、短向挡板、矩形盖板，长条凸型底板左右两侧各设有数个内螺纹孔，通过螺栓与长向挡板连接，长向挡板的两端也设置有内螺纹孔，通过螺栓连接短向挡板，矩形盖板直接放置于长向挡板上，通过凹槽切合；
工装包括沉头螺栓、SMA线夹片、T型张拉螺杆、L型端承板、主动器承台板和螺帽，主动器承台板前后两端各设有两个沉头螺孔，通过沉头螺栓连接L型端承板，T型张拉螺杆左右两端设有两个内螺纹孔，通过螺栓将SMA线夹片固定在上面，T型张拉螺杆穿过L型端承板上的圆孔与螺帽连接，固定在L型端承板上；模具位于工装的主动器承台板的凹槽上。
优选地，短向挡板上设有通孔，用于使SMA线穿过。
优选地，通孔的直径为0.5mm。
优选地，T型张拉螺杆为M5螺杆。
优选地，模具和工装使用的材料为合金钢、钛合金或不锈钢。
一种智能柔性复合材料主动器的制备方法，使用上述智能柔性复合材料主动器模具工装组件，包括如下步骤：
a)取两根适宜长度的SMA线，固定于T型张拉螺杆上的SMA线夹片上，在马氏体温度下旋拧位于T型张拉螺杆上的螺帽，使SMA线随着螺帽的旋转不断被拉长，根据T型张拉螺杆的螺距可以计算出螺帽转一圈SMA线被拉长的距离，当SMA线被拉到屈服后继续拉伸至设计拉伸应变状态后停止拉伸；
b)释放SMA线，将SMA线放入达到奥氏体温度下的热水中让其自由收缩，此时的SMA线具备轴向收缩的形状记忆功能；
c)将SMA线拉直，并在SMA线的中间段处夹持紧固件，使得紧固件之间的间距小于主动器模具长度5～10mm，将拉伸过的SMA线穿过模具的短向挡板上的通孔，调整SMA线使预先夹持的紧固件位于模具内侧，外侧用T型张拉螺杆上的SMA线夹片夹住SMA线，对称的旋拧两端T型张拉螺杆上的螺帽，使SMA线张紧拉直，向模具中缓慢均匀注入PDMS胶体，然后盖上矩形盖板，在第一温度下自然冷却固化24小时以上，制作完成智能柔性复合材料主动器。
优选地，还包括步骤d):在主动器脱模的过程中，分步拆卸模具，将T型张拉螺杆两侧的螺栓拧松，使SMA线夹片释放SMA线，将L型端承板上的沉头螺栓拧开，取出主动器模具，此时先将短向挡板上的螺栓拧开，取出短向挡板，然后再拧开长向挡板上的螺栓取出长向挡板，最后再揭开矩形盖板。
优选地，步骤c)中紧固件为铝合金卡件。
优选地，步骤c)中第一温度低于SMA线奥氏体起始温度。
优选地，步骤c)中PDMS胶体为抽过真空的无气泡胶体。
本发明提供的智能复合材料主动器的模具工装组件可以做到事先张拉SMA线，通过标记、测量最终计算出SMA线的张拉预应变，而后在浇筑PDMS胶体时应保持SMA线处于张紧笔直状态，柔性智能复合材料主动器制备过程具有操作简单，可控性强的优点，采用装配式模具易于制备模具零件，并且拆卸主动器模具时也更为方便。
以下将结合附图对本发明的方法及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的较佳实施例的智能复合材料主动器的模具工装组件的总体视图
具体实施方式
如图1所示为本发明较佳实施例的智能复合材料主动器的模具工装组件的总体视图，包括长条凸型底板1、长向挡板2、短向挡板3、矩形盖板4、第一螺栓5、沉头螺栓6、SMA线夹片7、第二螺栓8、T型张拉螺杆9、L型端承板10、主动器承台板11和螺帽12。
其中，长条凸型底板1左右两侧各设有数个内螺纹孔，本实施例中优选为三个，通过第一螺栓5与长向挡板2连接，长向挡板2的两端也设置有内螺纹孔，可通过第一螺栓5连接短向挡板3，矩形盖板4可直接放置于长向挡板2上，通过凹槽切合；主动器承台板11前后两端各有两个沉头螺孔，通过两枚沉头螺栓6连接L型端承板10，T型张拉螺杆9左右两端有两个内螺纹孔，通过两枚第二螺栓8将SMA线夹片7固定在上面，T型张拉螺杆9穿过L型端承板10的圆孔与螺帽12连接，固定在L型端承板10上；安装好的智能柔性复合材料主动器模具可以直接放在工装的主动器承台板11的凹型槽上。短向挡板3上还设有可供SMA线穿过的通孔。
利用上述智能复合材料主动器的模具工装组件制备主动器的方法如下：
取两根适宜长度的SMA线，固定于T型张拉螺杆9的两侧SMA线夹片7上，在马氏体温度下扭转位于T型张拉螺杆9上的螺帽12，SMA线会随着螺帽12的扭转不断被拉长，根据T型张拉螺杆9的螺距可以计算出螺帽12转一圈SMA线被拉长的距离，当SMA线被拉到屈服后继续拉伸至设计拉伸应变状态后停止拉伸，释放SMA线，将SMA线放入达到奥氏体温度下的热水中让其自由收缩，此时的SMA线已经具备轴向收缩的形状记忆功能，SMA线收缩量与收缩后的长度比即为SMA线的预拉应变；将SMA线拉直，并在SMA线的中间段长度为主动器长少5～10mm处夹持铝合金卡件；将拉伸过的SMA线穿过主动器模具上短向挡板3最下侧或最上侧两个SMA线的通孔，调整SMA线使预先夹持的铝合金卡件位于模具内侧，外侧SMA线用工装上的T型张拉螺杆9上的SMA线夹片7夹住锚固过的SMA线，对称的旋拧两端T型张拉螺杆上的螺帽，使SMA线张紧拉直，向主动器模具中注入处理过的PDMS(聚二甲基硅氧烷)胶体，然后盖上矩形盖板4，在室温(低于奥氏体起始温度)下自然冷却固化24小时以上，制作完成智能柔性复合材料主动器。
在主动器脱模的过程中，可以分步拆卸模具，将T型张拉螺杆9两侧的四枚第二螺栓8拧开，使SMA线夹片7释放SMA线，将L型端承板10上的四枚沉头螺栓6拧开，取出主动器模具，此时应该首先将短向挡板3上的四枚第一螺栓5拧开，取出短向挡板3然后再拧开长向挡板2上的六枚第一螺栓5取出长向挡板2，最后再揭开矩形盖板4。
SMA线必须先要在马氏体温度下进行预张拉至屈服状态达到设计拉伸应变状态后再释放，然后放入达到奥氏体温度下的热水中自由收缩，SMA线收缩量与收缩后的长度比即为SMA线的预拉应变。
SMA线是通过T型张拉螺杆9上的螺帽12的转动实现SMA线的拉伸，螺帽12转动一圈可以通过T型张拉螺杆9上的螺距计算出。
将SMA线拉直，并在SMA线的中间段长度为主动器长少5～10mm处夹持铝合金卡件，然后放入主动器模具中，利用T型张拉螺杆9上的SMA线夹片7夹持住SMA线的两端，对称的旋拧两端T型张拉螺杆上的螺帽，使SMA线张紧拉直保持SMA线在浇筑PDMS胶体前处于张紧笔直状态，然后再缓慢均匀浇筑抽过真空的无气泡的PDMS胶体。
浇筑完PDMS胶体的主动器必须要在SMA线奥氏体温度以下的环境中固化。
智能柔性复合材料主动器模具可以直接放置在主动器承台板11上，主动器承台板11上有凹形槽可以刚好放置长条凸型底板1。
短向挡板3上有六个通孔，中间四个孔是给SMA线预留的，通过选择中间最上面(或者最下面)两个通孔或是中间全部四个通孔可以制成单侧或者双侧主动器。
主动器的SMA线预应变张拉、精确定位以及精确形成的制备工艺依赖于工装。
本发明的较佳实施例中，短向挡板3上的六个通孔的直径为0.5mm，第一螺栓5为M3×6mm螺杆，第二螺栓8为M3×5mm；T型张拉螺杆为M5螺杆。
本实施例的零件尺寸、材料、工艺也可以针对具体应用确定。材料可以采用合金钢、钛合金、不锈钢等。零件表面可1.6～3.2级。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种智能柔性复合材料主动器模具工装组件，其特征在于，包括模具和工装；
所述模具包括长条凸型底板、长向挡板、短向挡板、矩形盖板，所述长条凸型底板左右两侧各设有数个内螺纹孔，通过螺栓与所述长向挡板连接，所述长向挡板的两端也设置有内螺纹孔，通过螺栓连接短向挡板，所述矩形盖板直接放置于所述长向挡板上，通过凹槽切合；
所述工装包括沉头螺栓、SMA线夹片、T型张拉螺杆、L型端承板、主动器承台板和螺帽，所述主动器承台板前后两端各设有两个沉头螺孔，通过所述沉头螺栓连接所述L型端承板，所述T型张拉螺杆左右两端设有两个内螺纹孔，通过螺栓将所述SMA线夹片固定在上面，所述T型张拉螺杆穿过所述L型端承板上的圆孔与所述螺帽连接，固定在所述L型端承板上；所述模具位于所述工装的所述主动器承台板的凹槽上。
2.如权利要求1所述的智能柔性复合材料主动器模具工装组件，其中所述短向挡板上设有通孔，用于使SMA线穿过。
3.如权利要求1所述的智能柔性复合材料主动器模具工装组件，其中所述模具和所述工装使用的材料为合金钢、钛合金或不锈钢。
4.一种智能柔性复合材料主动器的制备方法，其特征在于，使用如权利要求1-3所述的智能柔性复合材料主动器模具工装组件，包括如下步骤：
a)取两根适宜长度的SMA线，固定于T型张拉螺杆上的SMA线夹片上，在马氏体温度下旋拧位于T型张拉螺杆上的螺帽，使SMA线随着螺帽的旋转不断被拉长，根据T型张拉螺杆的螺距可以计算出螺帽转一圈SMA线被拉长的距离，当SMA线被拉到屈服后继续拉伸至设计拉伸应变状态后停止拉伸；
b)释放SMA线，将SMA线放入达到奥氏体温度下的热水中让其自由收缩，此时的SMA线具备轴向收缩的形状记忆功能；
c)将SMA线拉直，并在SMA线的中间段处夹持紧固件，使得紧固件之间的间距小于主动器模具长度5～10mm，将拉伸过的SMA线穿过模具的短向挡板上的通孔，调整SMA线使预先夹持的紧固件位于模具内侧，外侧用T型张拉螺杆上的SMA线夹片夹住SMA线，对称的旋拧两端T型张拉螺杆上的螺帽，使SMA线张紧拉直，向模具中缓慢均匀注入PDMS胶体，然后盖上矩形盖板，在第一温度下自然冷却固化24小时以上，制作完成智能柔性复合材料主动器。
5.如权利要求4所述的智能柔性复合材料主动器的制备方法，其中还包括步骤d):在主动器脱模的过程中，分步拆卸模具，将T型张拉螺杆两侧的螺栓拧松，使SMA线夹片释放SMA线，将L型端承板上的沉头螺栓拧开，取出主动器模具，此时先将短向挡板上的螺栓拧开，取出短向挡板，然后再拧开长向挡板上的螺栓取出长向挡板，最后再揭开矩形盖板。
6.如权利要求4所述的智能柔性复合材料主动器的制备方法，其中步骤c)中紧固件为铝合金卡件。
7.如权利要求4所述的智能柔性复合材料主动器的制备方法，其中步骤c)中第一温度低于SMA线奥氏体起始温度。
8.如权利要求4所述的智能柔性复合材料主动器的制备方法，其中步骤c)中PDMS胶体为抽过真空的无气泡胶体。
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