CN108350702A - 具有形状记忆丝绳索的气撑式张弦结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在本技术领域中称为“气撑式张弦结构”的结构元件，其引入相对于现有技术而言独特的元件：(i)具有超弹性(SE)和形状记忆(ME)性能的形状记忆合金(SMA)的绳索；(ii)用于调整绳索中的初始张力的机械张紧器；(iii)可选地，控制设备(处理器)，该控制设备连接到引起强度可变的电流穿过SMA丝绳索流动的电路；(iv)可选地，用于实时监测SMA绳索中的温度和张力水平的装置；(v)可选地，用于实时监测气撑式张弦结构振动的装置；(vi)可选地，能够维持多向静态作用和动态作用的新结构几何体。

Description

具有形状记忆丝绳索的气撑式张弦结构
本发明涉及具有形状记忆绳索的气撑式张弦结构。
更准确地，本发明涉及在技术领域中称为“气撑式张弦结构”的结构元件，其引入相对于现有技术而言独特的元件：(i)具有超弹性(SE)和形状记忆(ME)性能的形状记忆合金(SMA)的绳索；(ii)用于调整绳索中的初始张力的机械张紧器；(iii)可选地，控制设备(处理器)，该控制设备连接引起强度可变的电流穿过SMA丝绳索流动的电路；(iv)可选地，用于实时监测SMA绳索中的温度和张力水平的装置；(v)可选地，用于实时监测气撑式张弦结构振动的装置；(vi)可选地，能够维持多向静态作用和动态作用的新结构几何体。
背景技术
术语“气撑式张弦结构”是由RH Luchsinger，A.Pedretti，M.Pedretti，P.Steingruber提出的新结构性概念，为瑞士6710Biasca，Via Croce 1的Airlight有限责任公司的注册商标[1，2]。本发明的先驱(precursor)专利和后续专利有很多。在下文中，简要示出和描述与本文提出的发明相关的专利申请。
按照时间顺序，第一个专利是1957年的US 2936056A[3]，该专利将连接到刚性元件的可充气元件进行耦接以形成类似于梁的结构，该专利中描述了用于疏散飞机乘客的长度可变的可充气滑梯。就后期提出的与其相关的大量专利和所提出的现今仍使用的申请的资历而言，该专利有很大的反响。
在1991年的专利US 5311706A[4]中给出了可以采取各种形式的可充气的网状结构。该网状结构通过由聚脂薄膜片界定的刚性骨架构成，该聚脂薄膜片形成由刚性元件相互连接的可充气壳层或可充气柱体。该申请被提出用于连接卫星或船舶。同一发明者提出了与前述相关的新专利[5]，其中可充气结构的刚性骨架由增强纤维束制成，该增强纤维束实现了缆索型的柱形元件。最初是柔性的这些梁内部包括热塑性材料细丝。一旦可充气结构已表现出期望的形状，细丝就被热源熔融，并且各个梁变硬并形成可充气结构的骨架。
在2001年，提交了名称为“Air beam construction usingdifferentialpressure chambers(使用差压室的空气梁构造)”的专利US 6,463,699 B1[6]。该申请由内部固定有梁的柱形可充气隔膜构成，该梁具有“I”形截面并且由不透气的柔性材料构成。具有“I”形截面的梁将柱形隔膜分成四个内部空气室管，并在其内部包含可压缩材料(称为“微珠颗粒或类似材料”)。通过将空气压力引入四个内部空气室中，梁中所包含的材料被压缩并且整个结构变成刚性。
首次要求保护气撑式张弦结构的概念的专利是2004年提交的US 20060260209[7]。提出了一种可充气结构(柔性膜)，该可充气结构与高细长度的刚性元件一体制成，并且能够经受压缩的情况。在柱形隔膜周围，至少两个连接到压缩元件的张紧元件沿相反的方向扭转。基本思想是给气动元件充气，使得螺旋缠绕的元件处于张紧状态且刚性元件处于压缩状态。压缩元件还由气动元件稳定，这避免形成不稳定负载。
2008年的美国专利20080295417[8]呈现了彼此一体制成的至少三个可充气柱体的组件。三个可充气柱体中的一个的长度约等于其他柱体的一半。总体而言，压力下的柱体形成弧形件，以用作骨架结构诸如圆顶。
在2011年，Mauro Pedretti(气撑式张弦结构的发明人)提出了一种用于锚固一个或多个气撑式张弦结构的结构节点[9]。这种节点能够使用未描述的螺丝和缆索锚固器来提供对气撑式张弦结构的结构部件的压缩和牵引。
在WO2004/094754中描述了一种气动结构元件，其包括：中空体、牵引的至少两个元件、两个盖、至少两个节点、至少一个压缩杆。所述气动结构元件的牵引元件的长度可以气动地、液压地或机械地改变l。致动件或控制单元安装在牵引元件的端部与节点之间。牵引元件中的拉伸应力可以通过电子控制和调整装置来适应环境。气动元件中的压力通过容纳在气动元件中的流体中的电流的通过而变化。
WO2004/094754中的牵引元件由钢、铝或塑料材料制成(参见p.3l.8-14)。这些材料不呈现任何形状记忆材料的典型特性，该典型特性包括超弹性效应和恢复预加(pre-impressed)形式的能力。
与气撑式张弦结构有关的最新专利是在2012年提交的US 8640386 B1[10]。在该专利中，提出了简单地插入经典的气撑式张弦结构(其承受低充气压力)的一个或多个可充气单元体，又可以在高压下给该可充气单元体充气。基本思想是用上述高压内部空气室来增加整个结构的抗弯刚度。
发明内容
参考图1，气撑式张弦结构的构成基本元件由下述表示：高细长度梁130；由柱形膜制成的柱体形式的可充气结构120；一组绳110、140。
梁130与柱体的导向曲面一体制成，而锚固在梁的端部处的一对缆索110、140围绕可充气柱体120缠绕。通过确定缆索中的牵引状态和高细长度梁中的压缩来给该柱体充气。气撑式张弦结构可以在图1所指示的方向上支撑横向负载f作用力(agents，作用者)。该横向负载产生在缆索中出现的电压升高和在细长梁130中的压缩。气撑式张弦结构的机械操作原理在于绳索与伸长梁之间的拉伸和压缩牵引的各自分布。气动元件120执行该功能，并且同时对高细长度梁施加相对(contrast，对比)作用，以避免高细长度梁在高压缩作用下翘曲。方向和定向与图1中所示的那些不同的负载不能施加于气撑式张弦结构，因为该负载不允许产生压缩-牵引支承机构。
气撑式张弦结构的主要特征在于：在比传统钢梁小约10倍的结构重量下，也能够维持给定的横向负载。这种极好的能力来自压缩和牵引的合理分布，并且在于膜(气动元件)对压缩梁施加稳定作用，防止由于峰值负载而失去稳定性。
气撑式张弦结构可以用于实现大型灯罩、临时桥梁或其他用于紧急许可的大型结构。这些结构具有在运行状态下主要经受静态作用的共同点。
由于气撑式张弦结构阻尼较低，所以气撑式张弦结构不适于其中存在动力的应用。这种应用的示例包括航空航天结构，该航空航天结构可以包括飞艇、平流层平台，或者更具体地包括空间栖息地。本发明旨在克服现有技术的上述固有限制。此外，本发明的另外的目的是提供一种新颖的技术手段，使得气撑式张弦结构成为能够根据操作要求实时改变其自身机械特性的主动结构。
本发明的主题是一种根据所附权利要求的结构，其形成本说明书的整体部分。
所引入的创造性元件使得气撑式张弦结构成为工业和民用部门中某些应用所需的具有高性能的技术产品。
现在将为了说明而非限制的目的特别地参考附图中的图来描述本发明，在附图中：
-图1示出了根据已知技术的构成气撑式张弦结构的基本元件的示例；
-图2示出了根据本发明的用于多向作用的气撑式张弦结构；
-图3在(a)中示出了根据本发明的环形气撑式张弦结构的三维视图，并且在(b)中示出了该环形气撑式张弦结构的平面视图；
-图4示出了根据本发明的SMA丝绳索的SE性能的应力-应变周期；
-图5示出了根据本发明的形状记忆气撑式张弦结构的力-位移周期；
-图6示出了根据文献中给出的实验，随着温度升高，SE性能的SMA丝绳索的应力-应变周期；
-图7示出了根据文献报告的实验性能，记忆对SMA丝绳索ME性能的路径的影响；
-图8示出了根据本发明的用于主动控制气撑式张弦结构的系统；
-图9示出了根据本发明的形状记忆合金-其他材料的混合式单股绳索的截面，其中深灰色的丝是形状记忆合金的形式，而其余的丝由另一材料制成；
-图10示出了根据本发明的与形状记忆合金及另一种材料混合式多股缆索的截面，其中深灰色的丝是形状记忆合金，而剩余的是另一种材料；
-图11示出了根据本发明的闭合型的截面，其中呈现深灰色的柱形丝绳索由形状记忆合金制成，而其余形状的丝以另一种材料实施闭合；以及
-图12示出了对于直径等于5.7mm的绳索的周期拉伸试验，该绳索有高的滞回耗散。
具体实施方式
参考图2，根据本发明的气撑式张弦结构具有至少四个高细长度杆230，该高细长度杆沿着气动元件220的四条线被固定(solidarized，整体化)。围绕该气动元件，缠绕至少四对SMA缆索和/或混合的钢-SMA和/或其他材料SMA210。每对缆索具有围绕气动壳体的至少一个线圈(winding，绕组)，并且被锚固至相关联的杆的端部。这种实现方案使得气撑式张弦结构能够支撑在两个正交方向上的作用以及在两个方向上针对每个方向上进行支撑。
图2的配置不是对几何结构的限制，不失广义，该几何结构可以使用更多数量的具有各种截面的梁和使用更多数量的绳索。在最简单的非限制性实例中，绳索通过与端子例如摩擦铝端子类似的特定锚固器连接到杆。
在图3中示出了气撑式张弦结构的不同类型的环形几何结构300，其被设计成特别地用于空气静力容量结构(例如，平流层平台)。杆330沿着环形气动元件320的平行线延展(参见图3(a))，并且SMA绳索310围绕该杆进行包裹(参见图3(b))并连接到杆。
结构阻尼增加
本发明的允许扩展气撑式张弦结构的应用领域的元素包括：用SMA绳索(超弹性和形状记忆性能)或混合的钢-SMA或混合的其他材料-SMA替换通常由钢制成的绳索，其中“其他材料”意指其他的合金或聚合物材料。
得益于绳索中因牵引周期生成的奥氏体-马氏体转变，而没有显示残余的非弹性变形，SE形状记忆材料的存在极大地增加了气撑式张弦结构的阻尼。动态阻尼的水平赋予了结构稳定性。此外，可以通过对形状记忆丝绳索的数量和截面的作用来进行广泛的调整。实现这种阻尼的位移的幅度可以随着绳索中张力的初始水平而变化。在绳索与伸长梁之间的连接区域中，机械元件被放置用于除了已经用气动充气元件获得的预张力之外的预张力。对于使其中的软管预张紧的元件，负载单元体能够测量所施加的预张紧水平。
在图4中示出了应力-应变周期，其上显示了预张力水平σ0，该预张力水平允许SMA材料耗散由于变形周期而产生的能量，该变形周期是由对气撑式张弦结构的作用引起的。这种预张力的数值在合金与合金之间是极其不同的，并且即使对于同一种合金，在不同成分情况下以及经受不同的机械加工过程，该预张力的数值变化也是很大的。在任何情况下，图4中引用的σ0-ε0点可以被定义为后弹性性能的弹性性能的转变点(转变变形)。阈值还可以为若超过阈值时，则可以假定奥氏体-马氏体转变开始。
具有SE性能的SMA材料的气撑式张弦结构的原型是由下述制成：铝杆、可充气筒形PVC和由形状记忆材料(镍钛诺)制成的两条丝。铝杆的端部被铰链和滑架(carriage)限制在两个支撑件上，以便形成倾斜的梁构件。镍钛诺形状记忆材料的丝通过给PVC柱体充气并且利用螺丝扣进行预张紧。通常，将会存在张紧装置，该张紧装置包括机械张紧器或由机械张紧器构成，该机械张紧器放置在绳索与杆之间的连接区域中，用于调整四对或更多对绳索210、310的初始张力。初始张力包括SMA丝在线性状态下的张力和SMA丝在非线性状态下的张力。
(初始或操作)张力也可以通过使用连接到所述四对或更多对绳索的电流源改变SMA丝绳索的长度来获得，通过这种方式，电流可以引起所述四对或更多对绳索中的至少一对绳索的温度变化。与现有技术相反，通过这种方式，通过仅SMA丝绳索而不必引入机械张紧器就可以获得气撑式张弦结构的张力。通过用负载单元体测量相对力，使气撑式张弦结构在中心线上经受横向位移的循环。在图5中示出了力-位移曲线，其是针对两个位移幅度获得的。耗散的能量由环内部的区域表示，并且归因于形状记忆材料的相变。在去除负载时，由于镍钛诺构成的丝的“超弹性”，该结构没有显示出残余的变形。该曲线对应于约4％(宽度为2.5mm的曲线)和3％(宽度为5mm的曲线)的等效粘性阻尼。与根据本发明的气撑式张弦结构不同，为了迅速动态地稳定结构，根据已知技术实现的气撑式张弦结构显示出可忽略的阻尼(小于1％)。
气撑式张弦结构的主动控制
本文提出的另一创新方面在于下述事实，通过改变绳索的温度(通过焦耳效应)使电流流动，SE性能的SMA绳索的切线刚度也可以增加两倍。在图6中示出了改变材料温度的应力-应变周期。对于温度从20℃的环境温度升高约50℃时[11-12]，在原点处镍钛诺的切线弹性模量翻倍。
ME性能的绳索可以用作能够在操作期间改变对气撑式张弦结构的作用的主动元件。通过焦耳加热可以缩短这些缆索(如果镍钛诺或镍钛铜用作SMA合金，则缩短最高达长度值的8％)，改变该缆索的长度。人们希望利用形状记忆材料的所谓单向效应来在必要的情况下(例如，由于粘弹性松弛造成的预张力损失或对张力应用的主动控制)实时地在气撑式张弦结构中施加附加张力状态。在图7中示出了单向记忆效应[11-12]。绳索在由p1指示的呈伸长配置的气撑式张弦结构中投入使用。随后，通过焦耳效应将该绳索加热超过Af(奥氏体结束)温度，恢复最初施加的变形。绳索锚固至气撑式张弦结构，在该气撑式张弦结构上施加由点p2指示的电压，该电压在绳索温度回复至p3的室温时也保持自身不变。与现有技术相比，所提出的气撑式张弦结构可以通过控制装置实时地改变切线和几何刚度二者，该控制装置根据操作条件(根据由图8中的以CPU为参考的逻辑控制单元评估的需求，关于单根丝绳索选择性地)调节SMA绳索中的温度。也可以确保针对多向动态作用的足够水平的结构阻尼。
在图8中示意性地示出了用于使气撑式张弦结构有效的控制系统。SMA或混合的SMA-其他材料的绳索配备有用于连续或实时测量温度和应变水平的传感器的分布式网络。在分布式网络的情况下，可以具有应变计和热电偶，而在连续网络的情况下可以使用光纤。
在绳索与梁之间的锚固区域中，定位有高细长度元件，该高细长度元件适于提供与用气动充气元件获得的预张力相比额外的预张力。在这些元件内，嵌入了能够测量绳索中存在的电压水平的负载单元体。绳索连接到允许电流穿过的电动势发生器。绳索还包裹在使绳索与结构的其余部分绝缘的涂层中。另一种可能是除了绝缘材料之外，还给涂层配备高导电率材料并使电流在高导电率材料中流动。最后，高细长度梁配备有加速度计的分布式网络。
扩展、温度、加速度和负载单元的传感器网络将其测量结果发送到采集控制单元，该采集控制单元又将这些信息发送到被称为CPU的中央处理单元。CPU使用与机械模拟、识别过程和控制周期结合的特定算法实时地处理信息，并通过电动势发生器调整绳索内的电流强度。
SMA和混合绳索的类型
用于气撑式张弦结构的绳索可以以不同的形式实现，该形式根据股的数量、构成每股的丝数量、钢/SMA丝的相对位置以及股的缠绕角度和丝在单股中的缠绕角度而不同。可用的形状记忆合金是不同的：镍基(NiTi-镍和钛；NiAl-镍和铝)，铜基(CuSn-铜和锡；CuMn-铜和锰；CuAlNi-铜、铝和镍；CuAlZn-铜、铝和锌)，铁基(FeTi-铁和钛；FePt-铁和钾，FeMnSi-铁、锰和硅)。
在图9和图10中分别给出了单股缆索和多股缆索的一些截面。取决于考虑到的产生期望的机械性能的应用，对钢丝或其它材料以及由形状记忆合金制成的丝的位置进行优化。“其他材料”包括或聚合材料。根据从中心向外部构成各个层的丝的数量来命名开放式螺旋股(open spiral strands)。对于多股绳索，显示了每层的股的数量和构成单个股的丝的数量。SMA丝呈深灰色，而剩下的丝则为其他材料。SMA丝放置在(a)绳索的中央的芯中，(b)外层中，(c)与其他材料的丝交替布置。由于构造的原因，最后一层始终由钢和/或其他材料例如聚合物构成。不同材料的丝和/或SMA丝之间的交替布置在构成螺旋绳索的层之间和相同的层内形成。交替放置的股绳索采用与螺旋交替的绳索中的丝相同的标准，并且也被制成使用螺旋型交替绳索作为单股的配置。
在图9和图10中所示的缆索可以具有各种缠绕的螺旋型、梁(平行丝)型和多边形(编织股)型。在图11中示出了封闭绳索(通常用于支柱中)的三个可能的截面，其中中央的芯由形状记忆材料制成。
图9和图10的绳索在必要的情况下也可以完全以形状记忆合金来实现，这是由于气撑式张弦结构的特定应用可能需要较高性能。
本发明人以两种不同直径的螺旋型绳索制造了混合型绳索。总直径为5.7mm的第一绳索由“AISI 302”型不锈钢和形状记忆镍钛合金(镍钛诺)制成，该镍肽合金具有在室温下由伪弹性性能表征的-10℃的奥氏体初始转变温度。总直径为19.5mm的第二绳索由相同的形状记忆合金制成，但是是用“AISI 304”型不锈钢制成的。在图9中呈现了两种绳索的截面(参见(1+6+12+18+24)b)。绳索由布置在中央芯中的61根丝和沿相反的方向缠绕的4个随后的层(1+6+12+18+24)构成。包括12和18条线的层由NiTiNOL制成，而其余层的由钢制成。对于施加到缆索的弯曲应力需要SMA相变的特定应用，这种布局是优化的。图12示出了在罗马La Sapienza大学结构和岩土工程系的材料和结构实验室中用MTS机器进行的拉伸试验。该实验响应曲线示出了强大的滞后耗散能力。残余变形是由于摩擦的存在，而不是材料中的非弹性变形。
关于缆索构造中形状记忆合金类型的选择，必须区分在气撑式张弦结构中用作致动件的绳索(其中，重要的是在与操作环境相适应的温度下激活记忆效应)，与用于增加结构的固有阻尼并改变切线刚度(其中超弹性或伪弹性效应)的绳索。对于第一组，优选地使用镍钛诺合金(镍-钛)，而对于第二组，使用铜-铝型的二元合金或铜-铝-锌型的三元合金是优选的，因为它们由较便宜的金属镍和钛构成，所以有成本低的优点。然而，这种标准并不是通用的，因为用于SE和ME效应的形状记忆合金的选择取决于气撑式张弦结构的应用类型(根据此建立经济的方面)，且尤其取决于希望达到的特定功能的性能水平。
相对于用于丝绳索的标准方法，混合绳索的绞合过程需要特殊热处理，这是因为NiTiNOL的伪弹性，NiTiNOL的丝趋于恢复其原始形状，而不是保持绞合过程施加的缠绕。为了获得保持形状的绳索，有必要执行双重加热过程。此外，由另一种材料制成的最外层因其主要目的必须包围形状记忆材料，从而提升绳索的紧密性和径向阻力。与完全由形状记忆合金的丝构成的绳索相比，由另一种材料和形状记忆合金混合的绳索由于使用了较少的形状记忆合金还具有大大降低生产成本并且使生产过程更容易的优点。
益处
所提出的气撑式张弦结构允许将这些结构的应用扩展到以存在多向动态作用为特征的领域。这可能得益于因形状记忆丝绳索的存在而引起的附加阻尼。形状记忆丝绳索使得气撑式张弦结构根据操作条件自适应。实际上，可以通过焦耳效应改变分别具有超弹性或形状记忆性能的SMA绳索的温度，以变化切线刚度和几何刚度。控制系统由连接到传感器网络的处理器构成，该传感器网络监测绳索中的电压和温度以及气撑式张弦结构的振动。该系统基于由处理器处理的信息能够调整绳索中电流的流动，从而调整温度，并因此调整张力。
主要应用领域是平流层/空间结构和大面积的屋顶。
参考书目
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在前文中，已经提出了本发明的优选实施方案和变型，但应当理解的是，在不偏离如所描述的所附权利要求限定的相关保护范围的情况下，本领域技术人员可以进行修改和改变。

Claims (13)

1.结构气撑式张弦(200、300)，包括：气动元件(220、320)，所述气动元件沿着至少一导向曲面延伸；一个或多个绳索(210、310)，所述一个或多个绳索连接到至少一个被称为“杆”(230、330)的高细长度梁的端部，所述连接处于所述绳索与所述杆之间的连接区域中，所述至少一个杆(230、330)沿着所述至少一个导向曲面锚固到所述气动元件(220、320)，所述气撑式张弦结构的特征在于：
-包括四个或更多个杆(230、330)，所述四个或更多个杆沿着所述气动元件(220、330)的一样多的导向曲面放置；
-包括四对或更多对绳索(210、310)，所述四对或更多对绳索由SMA丝制成和/或为由非SMA材料制成的线和由SMA材料制成的线的组合；
-包括张紧装置，所述张紧装置用于调节所述四对或更多对绳索(210、310)的电压。
2.根据权利要求1所述的气撑式张弦结构，其特征在于，所述张紧装置包括机械张紧器或由机械张紧器构成，所述机械张紧器放置在所述绳索与所述杆之间的所述连接区域中，用于调整所述四对或更多对绳索(210、310)的初始张力。
3.根据权利要求1所述的气撑式张弦结构，其特征在于，所述初始张力包括所述SMA丝在线性状态下的张力和系统中非线性SMA丝的张力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气撑式张弦结构，其特征在于，所述张紧装置包括电流源，所述电流源电连接到所述四对或更多对绳索，使得电流能够引起所述四对或更多对绳索中的至少一对绳索的温度变化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气撑式张弦结构，其特征在于，所述气撑式张弦结构包括改变所述SMA丝的弹性模量的装置，所述装置包括电流源，所述电流源电连接到所述四对或更多对绳索，使得电流引起所述四对或更多对绳索中的至少一对绳索的温度变化。
6.根据权利要求4或5所述的气撑式张弦结构，其特征在于，所述气撑式张弦结构包括控制单元，所述控制单元包括：应用在所述四对或更多对绳索的对应点处的一系列的负荷传感器、应变传感器和温度传感器；以及电子逻辑单元，所述电子逻辑单元被配置为基于所述一系列的传感器的检测，调整电流从所述电流源到所述四对或更多对绳索的流动。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的气撑式张弦结构，其特征在于，所述非SMA材料是钢。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的气撑式张弦结构，其特征在于，所述SMA是NitiNOL或NiTiCu。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的气撑式张弦结构，其特征在于，在所述四个或更多个杆(230、330)上应用一系列加速度计，优选为微测的加速度计(MEMS)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的气撑式张弦结构，其特征在于，所述四个或更多个杆由铝或者另一种金属合金或复合层压材料例如碳纤维制成。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的气撑式张弦结构，其特征在于，所述气动元件由PVC或任何其他防水纺织复合材料制成。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的气撑式张弦结构，其特征在于，所述气动元件是柱形的。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的气撑式张弦结构，其特征在于，所述气动元件具有环形形状。
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