CN109263133A

CN109263133A - 一种变形模式可控的智能结构及其变形方法

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Publication number: CN109263133A
Application number: CN201811068619.0A
Authority: CN
Inventors: 黄毓; 孙琛; 赵剑; 刘蓬勃
Original assignee: Dalian University of Technology; Dalian Ocean University
Current assignee: Dalian University of Technology; Dalian Ocean University
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2019-01-25
Anticipated expiration: 2038-09-13
Also published as: CN109263133B

Abstract

本发明提供一种变形模式可控的智能结构及其变形方法，智能结构包括：固定块，用于连接固定可变形结构；可变形结构，具有可变形主体，其一端连接与所述固定块上；变尺寸加强块，由至少2个具有截面尺寸可变的加强块组成或由2个以上相互之间构成尺寸变化的加强块组成，所述加强块沿挤压方向依次布置在所述可变形结构上；滑块，与所述可变形结构的另一端连接，通过调节所述滑块的位移量来控制所述可变形结构的变形形貌。本发明为纯机械结构，驱动方式简单，无需施加额外的模具和其他阻挡装置便可制备不同形貌的结构，具有工艺简单，形状可调，构型稳定等优点，可广泛用于汽车、航空航天、医疗机器人及海洋运载工具等的形状控制系统。

Description

一种变形模式可控的智能结构及其变形方法

技术领域

本发明属于智能材料与结构技术领域，具体而言，尤其涉及一种变形模式可控的智能结构及其变形方法。

背景技术

变形模式可控结构能够通过单一或多个控制参数来实现自身变形形貌的调节，以达到特定的功能需求，如水下减阻、减振降噪及刚度可调等。该类结构柔性制造系统，汽车、航空航天、船舶及医疗等诸多领域的变体结构中具有广泛的应用前景。

借助其优良的力学特性，屈曲模态可控的智能变形结构已成功应用于汽车、航空航天等领域中。目前，智能变形结构的模态控制方法种类繁多。例如，Yihui Zhang在“Amechanically driven form of Kirigami as a route to 3D mesostructures inmicronanomembranes”(physical sciences(2015)volume 112,number 38,pp.11757-11764)中介绍了一种Kirigami形式的思想，它能精确地利用机械驱动的方式，将2D微米/纳米结构通过预压力进而形成不同的3D介观结构。YongAn Huang在文献“Versatile,kinetically controlled,high precision electrohydrodynamic writing of micro/nanofibers”中提出了动力学控制和高分辨率的机械电纺工艺。它利用电力和机械力的组合，制定微结构，提供了微结构加工制造的可能性。

尽管这些控制方法可以有效地保证调整结构的变形，但其只能实现在单一形貌下的变形量调节，如将结构变成拱形后只能改变拱的高度，无法改变成为双驼峰或者其他形貌。为了实现不同形貌的变化，通用方法为增加驱动结构和变形约束，这就极大的增加了制造工艺的复杂性，增加成本。

综上，现有的可变形结构存在驱动方式复杂、变形模式单一且控制成本高的问题，迫切需要设计一种新型可变结构以满足众多工业领域的应用需求。

发明内容

根据上述提出可变形结构存在的驱动方式复杂、变形模式单一等技术问题，而提供一种变形模式可控的智能结构及其变形方法。本发明主要利用在宏观结构表面布置不同类型的变尺寸局部加强块，通过加强块几何尺寸、材料属性和布置方式的优化设计，引入挤压成型方法，通过控制挤压位移量来使宏观结构达到预定的形貌，从而实现了单一结构发生复杂变形模式变换的功能。

本发明采用的技术手段如下：

一种变形模式可控的智能结构，其特征在于，包括：

固定块，用于连接固定可变形结构；

可变形结构，具有可变形主体，其一端连接与所述固定块上；

变尺寸加强块，由至少2个具有截面尺寸可变的加强块组成或由2个以上相互之间构成尺寸变化的加强块组成，所述加强块沿挤压方向依次布置在所述可变形结构上；

滑块，与所述可变形结构的另一端连接，通过调节所述滑块的位移量来控制所述可变形结构的变形形貌。

上述的单个加强块的横截面和纵截面的尺寸可变，当2个以上的组合形式时，彼此之间的尺寸也可变，不仅包括各个加强块的横截面和纵截面，还包括多个加强块之间的相对距离也可变。

进一步地，所述可变形结构的变形主体至少为梁、板或壳结构中的一种。

进一步地，所述变尺寸加强块中的加强块的数量为n-1个，其中n为结构挠曲线拐点个数；所述加强块的厚度、长度和宽度根据预设工况设置，具体为：

所述加强块的厚度为均匀结构厚度的0.1～1.5倍；所述加强块的长度小于L/n，其中L为结构总长度；所述加强块的宽度为均匀结构宽度的0.8～1.2倍。

进一步地，所述可变形结构为均质结构或复合材料结构，所述加强块与所述可变形结构的材料类型不同。

进一步地，所述加强块的材料为金属、复合材料或高分子材料中的一种。

所述加强块为金属材料时，优选为镍、铜、钢及合金。

本发明还公开了一种上述的变形模式可控的智能结构的变形方法，其特征在于，在可变形结构的变形主体上设置不同类型的变尺寸加强块，通过加强块几何尺寸、材料属性和布置方式的优化设计，引入挤压成型方法，在可变形结构的可变形主体的另一端向固定端挤压，使结构产生挤压变形，通过控制挤压滑块位移量控制所述智能结构达到预定的变形形貌。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明具有驱动模式简单的特点，仅通过位移调节就可以实现复杂的变形模式转换；

2、本发明的结构具有变形模式稳定的特点，在不同的变形模式下均具有稳定的静动力学特性，具有稳定构型的保持功能，便于实现自适应控制；

3、本发明为纯机械结构，制造工艺简单，成本低，无需额外的边界约束和驱动源即可实现复杂变形控制。

综上，本发明提供了一种可实现复杂变形的智能结构，通过引入挤压成型方法，控制挤压位移量来使宏观结构达到预定的形貌，例如拱形或者驼峰结构(多峰)，实现了单一结构发生复杂变形模式变换的功能。

本发明具有制造工艺简单，模态可调，且变形后结构性能稳定，不需要复杂挡块约束和驱动模式等优点，是智能结构变形模式领域的突破，适用于从紧凑状态变成展开状态的可扩展结构、也可以通过改变缺陷的位置控制不同的屈曲模态，在柔性制造系统，汽车、航天等诸多变体领域以及生物医疗等诸多领域的变体结构中应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明变形模式可控的智能结构的剖面图。

图2为常规均匀尺寸解耦股的变形轮廓图。

图3为本发明变形模式可控的智能结构的挤压变形图。

图4为本发明变形模式可控的智能结构的挤压量与变形模式关系图。

图中：1、固定块；2、可变形结构；3、第一加强块；4、第二加强块；5、第三加强块；6、第四加强块；7、第五加强块；8、滑块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种变形模式可控的智能结构，包括：

固定块1，用于连接固定可变形结构2；

可变形结构2，具有可变形主体，其一端连接与所述固定块1上；所述可变形结构2的变形主体至少为梁、板或壳结构中的一种。

变尺寸加强块，由至少2个具有截面尺寸可变的加强块组成或由2个以上相互之间构成尺寸变化的加强块组成，所述加强块沿挤压方向依次布置在所述可变形结构2上；

滑块8，与所述可变形结构2的另一端连接，通过调节所述滑块8的位移量来控制所述可变形结构2的变形形貌。所述变尺寸加强块中的加强块的数量为n-1个，其中n为结构挠曲线拐点个数；所述加强块的厚度、长度和宽度根据预设工况设置，具体为：

所述加强块的厚度为均匀结构厚度(是指原始结构的厚度，即等厚度结构)的0.1～1.5倍；所述加强块的长度小于L/n，其中L为结构总长度；所述加强块的宽度为均匀结构宽度(同样地，是指原始机构的宽度，即等宽度结构，其宽度作为初始设计值，通过增大或减小其宽度，改变其变形模式)的0.8～1.2倍。

所述可变形结构2为均质结构或复合材料结构，所述加强块与所述可变形结构的材料类型不同。

所述加强块的材料为金属、复合材料或高分子材料中的一种。所述加强块为金属材料时，优选为镍、铜、钢及合金。

实施例1

如图1所示，是一种变形模式可控的智能结构剖面图，包括固定块1，可变形结构2、位移可调的滑块8、变尺寸加强块由5个加强块组成，分别为第一加强块3、第二加强块4、第三加强块5、第四加强块6和第五加强块7，从图中可知，这5个加强块的单个加强块的横截面可变，彼此之间尺寸可变。

具体连接方式为：可变形结构2一端与固定块1相连接，另外一段与位移调节的滑块8相连，用来调节不同的挤压位移，沿挤压方向布置有可变尺寸加强块3-7，通过调节可变尺寸滑块的位置、几何尺寸和材料，实现变形量和变形模式的可控。

通常，均匀尺寸结构在挤压变形过程中的变形轮廓如图2所示，其几何尺寸如表1所示。由此可见，挤压均匀尺寸结构仅能得到单一的变形模式，且挤压仅能调节变形量，无法实现变形模式的调整。本发明所涉及的智能可变形结构，在单一挤压驱动载荷下可以实现复杂的变形模式，如图3所示。

表1均匀结构的几何尺寸

长度/um	宽度/um	厚度/um	弹性模量/Gpa	泊松比	密度/(kg/um3)
						22040	1000	20	128	0.35	8.3e-15

图4是本发明变形模式可控的智能结构的挤压量与变形模式关系图，从图中可以看出，通过控制挤压量的大小，可以使结构发生不同模式的变形，以达到复杂变形的应用需求。

综上，本发明在宏观结构表面布置不同类型的变尺寸局部加强块，通过加强块几何尺寸、材料属性和布置方式的优化设计，引入挤压成型方法，通过控制挤压位移量来使宏观结构达到预定的形貌例如拱形或者驼峰结构(多峰)，实现了单一结构发生复杂变形模式变换的功能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种变形模式可控的智能结构，其特征在于，包括：

固定块，用于连接固定可变形结构；

2.根据权利要求1所述的变形模式可控的智能结构，其特征在于，所述可变形结构的变形主体至少为梁、板或壳结构中的一种。

3.根据权利要求1所述的变形模式可控的智能结构，其特征在于，所述变尺寸加强块中的加强块的数量为n-1个，其中n为结构挠曲线拐点个数；所述加强块的厚度、长度和宽度根据预设工况设置，具体为：

4.根据权利要求3所述的变形模式可控的智能结构，其特征在于，所述可变形结构为均质结构或复合材料结构，所述加强块与所述可变形结构的材料类型不同。

5.根据权利要求4所述的变形模式可控的智能结构，其特征在于，所述加强块的材料为金属、复合材料或高分子材料中的一种。

6.一种如权利要求1-5任意权利要求所述的变形模式可控的智能结构的变形方法，其特征在于，在可变形结构的变形主体上设置不同类型的变尺寸加强块，通过加强块几何尺寸、材料属性和布置方式的优化设计，引入挤压成型方法，在可变形结构的可变形主体的另一端向固定端挤压，使结构产生挤压变形，通过控制挤压滑块位移量控制所述智能结构达到预定的变形形貌。