CN109210285A - 一种新型仿生可展开结构及展开方法 - Google Patents

一种新型仿生可展开结构及展开方法 Download PDF

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Abstract

一种新型可展开结构，至少包括内层管，所述内层管包括限定所述可展开结构的内周表面的第一材料；以及外层管，所述外层管包括限定所述可展开结构的外周表面的第二材料；所述外层管上设有波峰和波谷，所述外层管在波谷处与内层管连接；所述内层管中间设有空腔，内层管的一端为充流体端口，空腔中可充入流体。本发明的可展开结构既保证结构的快速展开，满足展开的高效性，又满足展开结构的刚度要求。

Description

一种新型仿生可展开结构及展开方法
技术领域
本发明涉及仿生领域，具体涉及一种可展开结构及展开方法。
背景技术
近期的空间任务对可展开结构有很大的兴趣，在远期规划中有更多的突破性任务，可展开结构有很多方面的空间运用，如深空探测天线、对地雷达、太阳能接收器、望远镜、遮阳罩、太阳帆板。特别，在导航卫星方面，美国的GPS Block III导航卫星和我国的北斗导航RDSS系统都需要使用可展开的天线。由于火箭等运载平台运载空间和能力的限制，星载天线必须做成可折叠式的，即发射时收拢，到达轨道后自动展开成预定的形状。
可展开天线的展开是一个复杂的非线性力学过程，从不稳定状态到稳定状态，从机构到结构的转化。随着天线的大口径化和轻质量化，柔性成为影响天线展开过程的重要因素。对展开过程的要求不仅限于保证天线按预定轨迹精确展开，同时要求展开过程中能迅速抑制由柔性等因素产生的振动，以保证天线的平稳性，并防止由于天线自身的振动影响到卫星姿态。
充气可展开结构专指各种空间超轻质结构和充气结构，空间充气可展开结构采用低弹性模量的薄膜材料制作，如薄膜，在地面折叠包装成很小的体积，经运载工具发射后在轨对可展开充气硬化管充气,展开形成航天任务需要的航天结构。
缺点：(1)充气管柔性有余，刚性不足，主要靠充气气压提供，或者展开后材料进行硬化提供。材料的硬化是指材料本身为柔性可折叠的，当充气展开后，材料与气体中的某些物质发生反应，最终达到预期的强度和刚度。(2)大规模时有缠绕和褶皱问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的第一方面提供一种可展开结构，至少包括
内层管，所述内层管包括限定所述可展开结构的内周表面的第一材料；以及
外层管，所述外层管包括限定所述可展开结构的外周表面的第二材料；
所述外层管上设有波峰和波谷，所述外层管在波谷处与内层管连接；
所述内层管中间设有空腔，内层管的一端为充流体端口，
空腔中可充入流体。
在一些实施方式中，当空腔充入流体后，第一材料和流体发生作用，第一材料的含流体量改变。
在一些实施方式中，所述第一材料的回弹性大于90％。
在一些实施方式中，当空腔充入流体后，第二材料的弹性模量大于第一材料。
在一些实施方式中，所述内层管与外层管的厚度比为1:99-99:1。
在一些实施方式中，所述第一材料为热塑性弹性体、热固性弹性体、弹性蛋白中的至少一种。
在一些实施方式中，所述第二材料为复合材料。
在一些实施方式中，所述第二材料为含有几丁质的复合材料。
在一些实施方式中，所述第一材料的弹性模量为0.001-1.5GPa。
在一些实施方式中，所述第二材料的弹性模量为3.5-8.5GPa。
在一些实施方式中，所述弹性蛋白为节肢弹性蛋白或人工合成节肢弹性蛋白。
在一些实施方式中，所述流体为气体、液体、液晶材料中的至少一种。
在一些实施方式中，展开前为第一稳态。
第一稳态是指内层管为干燥、被压缩状态，外层管为折叠状态。
在一些实施方式中，展开后为第二稳态。
第二稳态是指内层管为溶胀后的自由状态，外层管为自由拉伸状态。
本发明的第二方面提供一种如上所述的可展开结构的展开方法，向空腔中充入流体。
本发明涉及一种新的管状结构用于展开机构中，含有第一材料和第二材料，内侧为第一材料，外侧为第二材料，第一材料和第二材料可以相同，也可以不同。第二材料保证管子的刚度，第一材料在管内充入少量液体后会发生溶胀，产生超级弹性和回弹性，引导结构展开。
这样，既保证结构的快速展开，又满足刚度要求。
本发明中的第一材料沿着管道分布，流体进入之后，引导结构展开的动力分布于管道每一处，提高展开的效率。
附图说明
图1为可展开结构的示意图；
图2为可展开结构在管道横截面的示意图；
图3为可展开结构于第一稳态时在管道纵截面的示意图；
图4为可展开结构于第二稳态时在管道纵截面的示意图；
图5为实施例1的测试结果；
图6为实施例2的测试结果；
图7为实施例3的测试结果；
图中的各标记如下：1为可展开结构，2为充流体端口，3为内层管，4为外层管，5为空腔，6为波峰，7为波谷。
具体实施方式
如图1、图2、图3，为了解决现有技术问题，本发明的第一方面提供一种可展开结构，至少包括
内层管3，所述内层管包括限定所述可展开结构1的内周表面的第一材料；以及
外层管4，所述外层管包括限定所述可展开结构的外周表面的第二材料；
所述外层管上设有波峰6和波谷7，所述外层管在波谷处与内层管连接；
所述内层管中间设有空腔5，内层管的一端为充流体端口2，
空腔中可充入流体。
在一些实施方式中，所述第一材料为高弹聚合物。
在一些实施方式中，所述第一材料为热塑性弹性体、热固性弹性体、弹性蛋白中的至少一种。
本发明所述的第一材料的具体实例包括但不限于热塑性弹性体、热固性弹性体。
本发明所述的第一材料的具体实例也可以是弹性蛋白，优选为节肢弹性蛋白或人工合成节肢弹性蛋白(recombinant resilin)。
弹性蛋白不溶于大部分溶剂，仅在一些极性溶剂中才发生溶胀。在本发明的一些实施方式中，节肢弹性蛋白在水中产生溶胀，具有高弹性行为。
在一些实施方式中，当空腔充入流体后，第一材料和流体发生作用，第一材料的含流体量改变。
第一材料和流体能够发生作用，将会改变第一材料中的含流体量，第一材料中的含流体量改变之后，将改变第一材料的性质。第一材料所改变的性质包括但不限于，回弹性、弹性模量。
第一材料处于第一稳态中，为被压缩的状态，和流体产生作用后，第一材料中的含流体量增加，第一材料趋向于形成第二稳态，此过程表现出来为可展开结构从收拢状态转变为展开状态。
在一些实施方式中，所述第一材料的回弹性大于80％。
作为回弹性的具体实例，包括但不限于80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％。
在一些实施方式中，所述第一材料的回弹性大于90％。
回弹性的测量是通过回弹仪，采用重物跌落或撞击的方法得到，用回弹高度与落下高度的比值表征。
本发明的回弹性还可以用回弹模量表征，它是指在不产生残余变形时单位体积的材料吸收的最大能量，通过对应力-应变曲线进行积分得到。
在一些实施方式中，当空腔充入流体后，第二材料的弹性模量大于第一材料。
在一些实施方式中，所述内层管与外层管的厚度比为1:99-99:1。
内层管和外层管的厚度比的具体实例，包括但不限于，1:99、5:95、10:90、15:85、20:80、25:75、30:70、35:65、40:60、45:55、50:50、55:45、60:40、65:35、70:30、75:25、80:20、85:15、90:10、95:5、99:1。
在一些实施方式中，所述第二材料为复合材料。
在一些实施方式中，所述第二材料为含有几丁质的复合材料。
本发明中，所述含有几丁质的复合材料为几丁质与其它材料进行物理共混，或化学改性得到。也可以是几丁质。
在一些实施方式中，所述含有几丁质的复合材料可以是天然产物，也可以是人工合成材料。
在一些实施方式中，所述第一材料的弹性模量为0.001-1.5GPa。
在一些实施方式中，所述第二材料的弹性模量为3.5-8.5GPa。
在一些实施方式中，所述弹性蛋白为节肢弹性蛋白或人工合成节肢弹性蛋白。
在一些实施方式中，所述流体为气体、液体、液晶材料中的至少一种。
在一些实施方式中，所述流体为气体。气体可以是惰性气体，也可以是非惰性气体，只要能够和第一材料发生作用，使第一材料产生溶胀即可。
在一些实施方式中，所述流体为液体，所述液体选自水、离子液体、有机溶剂中的一种或多种的混合。
若所述流体为有机溶剂，优选为极性有机溶剂。
在一些实施方式中，所述流体为液晶材料。
在一些实施方式中，展开前为第一稳态。
第一稳态是指内层管为干燥、被压缩状态，外层管为折叠状态。
在一些实施方式中，展开后的第二稳态。
第二稳态是指内层管为溶胀后的自由状态，外层管为自由拉伸状态。
如图1，实线为可展开结构处于第一稳态的示意图，虚线为可展开结构处于第二稳态的示意图。
如图3，可展开结构在展开前处于第一稳态，外层管为折叠状态，在外层管上具有波峰和波谷。
如图4，可展开结构在展开后处于第二稳态，外层管为拉伸状态。
发明人在研究中发现，可展开结构如果充入气体，依靠气压的作用使可展开结构从收拢状态转变为展开状态，但是展开状态下的刚度不足。而为了解决此问题，通常采用的做法是先充入气体，将可展开结构展开，然后对可展开结构进行硬化处理，所述处理过程可以列举出例如光照交联、热交联、辐射交联、表面处理等。要求其具有较大的加工设备，加工难度和工艺复杂程度较高。如果向可展开结构中充入液体，能够使可展开结构在展开的同时具有一定的刚度。但是充入的液体需要一定的量，才能通过液压将可展开结构展开，在保证刚度的同时，也会大幅增加重量，限制了可展开结构的应用。本发明的方案中，不需要利用液体的压力作用，因此不需要充入大量流体。发明人预料不到的发现流体能够和第一材料产生溶胀作用，使得处于压缩状态的第一材料恢复高回弹性，保证了结构能够快速展开；同时第二材料较第一材料有较高的弹性模量，使可展开结构的刚度满足需求。
本发明的第二方面提供一种如上所述的可展开结构的展开方法，向空腔中充入流体。
在充入流体后，流体和第一材料产生作用，使第一材料的性质发生变化，特别是恢复高回弹性，从而促使可展开结构从收拢状态迅速转变为展开状态。
下面结合具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
如图1-3，一种可展开结构，至少包括
内层管3，所述内层管包括限定所述可展开结构1的内周表面的第一材料；以及
外层管4，所述外层管包括限定所述可展开结构的外周表面的第二材料；
所述外层管上设有波峰6和波谷7，所述外层管在波谷处与内层管连接；
所述内层管中间设有空腔5，内层管的一端为充流体端口2，
空腔中可充入流体。
所述第一材料为节肢弹性蛋白，回弹性92％，弹性模量为0.002GPa，泊松比0.25，密度1200kg/m3，
所述第二材料为几丁质，弹性模量为3.8GPa，泊松比0.25，密度1100kg/m3
所述流体为水，
所述管道厚度为0.5mm，内层管与外层管的厚度比为50:50。
所述管道长度为横截面直径的15倍。
用有限元软件ABAQUS测试结果如图5所示，展开后的结构由于承载自身重量而产生变形。计算结果表明管道展开后的弯曲变形很小，满足使用的刚度需求。
实施例2
如图1-3，一种可展开结构，至少包括
内层管3，所述内层管包括限定所述可展开结构1的内周表面的第一材料；以及
外层管4，所述外层管包括限定所述可展开结构的外周表面的第二材料；
所述外层管上设有波峰6和波谷7，所述外层管在波谷处与内层管连接；
所述内层管中间设有空腔5，内层管的一端为充流体端口2，
空腔中可充入流体。
所述第一材料为弹性蛋白，回弹性90％，弹性材料为0.001GPa，泊松比0.25，密度1300kg/m3，
所述第二材料为几丁质，弹性模量为3.8GPa，泊松比0.25，密度1100kg/m3，
所述流体为水，
所述管道厚度为0.6mm，内层管与外层管的厚度比为30:70。
所述管道长度为横截面直径的10倍。
用有限元软件ABAQUS测试结果如图6所示，展开后的结构由于承载自身重量而产生变形。计算结果表明管道展开后的弯曲变形很小，满足使用的刚度需求。
实施例3
如图1-3，一种可展开结构，至少包括
内层管3，所述内层管包括限定所述可展开结构1的内周表面的第一材料；以及
外层管4，所述外层管包括限定所述可展开结构的外周表面的第二材料；
所述外层管上设有波峰6和波谷7，所述外层管在波谷处与内层管连接；
所述内层管中间设有空腔5，内层管的一端为充流体端口2，
空腔中可充入流体。
所述第一材料为胶原蛋白，回弹性90％，弹性材料为0.12GPa，泊松比0.25，密度1300kg/m3，
所述第二材料为聚丙烯腈基碳纤维复合材料。
所述流体为水，
所述管道厚度为0.6mm，内层管与外层管的厚度比为70:30。
所述管道长度为横截面直径的10倍。
用有限元软件ABAQUS测试结果如图7所示，展开后的结构由于承载自身重量而产生变形。计算结果表明管道展开后的弯曲变形很小，满足使用的刚度需求。
实施例4
如图1-3，一种可展开结构，至少包括
内层管3，所述内层管包括限定所述可展开结构1的内周表面的第一材料；以及
外层管4，所述外层管包括限定所述可展开结构的外周表面的第二材料；
所述外层管上设有波峰6和波谷7，所述外层管在波谷处与内层管连接；
所述内层管中间设有空腔5，内层管的一端为充流体端口2，
空腔中可充入流体。
所述第一材料为高弹水凝胶(Silicone-based tough hydrogels with highresilience,fast self-recovery,and self-healing properties Chem.Commun.,2016,52,8365-8368,DOI:10.1039/C6CC02665F)，
所述第二材料为几丁质，弹性模量为3.8GPa，泊松比0.25，
所述流体为水，
所述内层管与外层管的厚度比为40:60。
实施例5
如图1-3，一种可展开结构，至少包括
内层管3，所述内层管包括限定所述可展开结构1的内周表面的第一材料；以及
外层管4，所述外层管包括限定所述可展开结构的外周表面的第二材料；
所述外层管上设有波峰6和波谷7，所述外层管在波谷处与内层管连接；
所述内层管中间设有空腔5，内层管的一端为充流体端口2，
空腔中可充入流体。
所述第一材料为合成resilin(Elvin,C.M.,et al.(2005)."Synthesis andproperties of crosslinked recombinant pro-resilin."Nature 437:999.)，
所述第二材料为几丁质，弹性模量为3.8GPa，泊松比0.25，
所述流体为水，
所述内层管与外层管的厚度比为40:60。

Claims (10)

1.一种新型仿生可展开结构，其特征在于，
至少包括
内层管，所述内层管包括限定所述可展开结构的内周表面的第一材料；以及
外层管，所述外层管包括限定所述可展开结构的外周表面的第二材料；
所述外层管上设有波峰和波谷，所述外层管在波谷处与内层管连接；
所述内层管中间设有空腔，内层管的一端为充流体端口，
空腔中可充入流体。
2.如权利要求1所述的可展开结构，其特征在于，当空腔充入流体后，第一材料和流体发生作用，第一材料的含流体量改变。
3.如权利要求1所述的可展开结构，其特征在于，所述第一材料的回弹性大于等于90％。
4.如权利要求1所述的可展开结构，其特征在于，当空腔充入流体后，第二材料的弹性模量大于第一材料。
5.如权利要求1所述的可展开结构，其特征在于，所述内层管与外层管的厚度比为1:99-99:1。
6.如权利要求1所述的可展开结构，其特征在于，所述第一材料为热塑性弹性体、热固性弹性体、弹性蛋白中的至少一种。
7.如权利要求1所述的可展开结构，其特征在于，所述第二材料为复合材料。
8.如权利要求1所述的可展开结构，其特征在于，所述第一材料的弹性模量为0.001-1.5GPa。
9.如权利要求1所述的可展开结构，其特征在于，所述第二材料的弹性模量为3.5-8.5GPa。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的可展开结构的展开方法，其特征在于，向空腔中充入流体。
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