CN109340068A - 一种一体式大变形形状记忆合金驱动器及应用 - Google Patents

一种一体式大变形形状记忆合金驱动器及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体式大变形形状记忆合金驱动器及应用，所述一种一体式大变形形状记忆合金驱动器，其特征在于：包括：驱动器主体和位于所述驱动器主体外侧的多个驱动器连接端；所述驱动器主体和所述驱动器连接端为一体式结构；所述驱动器主体和所述驱动器连接端通过形状记忆合金材料制成。本发明具有随驱动器和几何参数变化的可调变形量，结构简单，便于制造，在航空航天、汽车等领域具有良好且广泛的应用前景。

Description

一种一体式大变形形状记忆合金驱动器及应用
技术领域
本发明涉及一种一体式大变形形状记忆合金驱动器及应用，特别是一种对驱动器主体拉伸变形后加热能够回复，使得驱动器在拉伸方向上能够实现大变形的结构，属于驱动装置、智能变体技术领域。
背景技术
人类很早就认识到鸟类可以根据飞行状态适时调整飞行姿态，以最佳的效率完成滑翔、盘旋、攻击等动作，但是受到材料性能的限制，这一启发在过去很长的一段时间内只能作为飞机设计的一种梦想。近年来，随着智能材料和结构设计技术的发展，提出了智能可变形飞机的设计概念，要求飞机能够适应宽广变化的速度和高度范围，根据不同的飞行环境和任务，适时改变外形布局，从而在整个飞行过程中和执行不同任务时，始终保持全阶段优化，最大化的提高飞行性能。通过智能变体技术可以解决飞机在不同设计点的气动布局矛盾，提高经济性和任务性能。因此，变体飞机成为了当前飞行器发展的热点问题，通过合理改变机身形状参数，可以改善飞行器的气动特性和操纵性能，并能够在高超速飞行时减小阻力，提高经济性。
传统变体结构的驱动方式通常为液压、气压驱动或电机驱动，这些驱动方式具有机构复杂、质量大、占用空间多和布置困难等不足。而形状记忆合金驱动力来自合金内部相变，因此其质量轻、体积小，功重比较大。
形状记忆合金是一种在低于相变温度时改变其形状，升高温度后超过其相变温度可以恢复到形状改变之前原始状态的一种合金材料。利用形状记忆合金的形状记忆效应制作的驱动器在机器人关节驱动装置、水下仿生机器人动力装置及微型医疗机器人转向装置中有了广泛应用。
现有的一种机翼后缘，由于形状记忆合金丝与桁条结构的布置使整体结构复杂；现有技术中采用类似皮带传动的方法利用两根丝状形状记忆合金差动拉动中心固定的转轮完成驱动，该装置体积大，布置繁琐。
因此，综合分析目前形状记忆合金驱动器及应用所存在的问题，亟需一种结构简单、体积小且易于控制的，适用于大变形的驱动器及应用。
发明内容
为了克服传统驱动器及传统大变形结构存在的整体质量大，驱动机构体积大，控制系统复杂及变形量小等缺点，本发明提供一种质量轻、体积小、易于控制、变形大的形状记忆合金驱动器及应用，该结构不仅具有大变形能力，且能够保持一定的刚度，减轻整体结构的重量，从而大幅提高其实用性。
本发明采用的技术手段如下：
一种一体式大变形形状记忆合金驱动器，包括：驱动器主体和位于所述驱动器主体外侧的多个驱动器连接端；
所述驱动器主体和所述驱动器连接端为一体式结构；
所述驱动器主体和所述驱动器连接端通过形状记忆合金材料制成。
所述驱动器主体的整体为实体结构或微纳结构；
所述微纳结构包括多个整体组成所述驱动器主体形状的微纳单胞；
所述微纳单胞的形状为四边形、六边形、圆形或椭圆形中的一种。
所述驱动器主体由多个局部分段组成，多个所述局部分段中至少包括一个局部分段微纳结构和至少一个局部分段实体结构；
所述局部分段微纳结构包括多个整体组成所述局部分段微纳结构形状的微纳单胞；
所述微纳单胞的形状为四边形、六边形、圆形或椭圆形中的一种。
所述驱动器主体可通过改变几何形状或参数调整其可变形量。
所述驱动器主体呈椭圆环形、圆环形、菱环形或S形中的一种。
多个所述驱动器主体可通过所述驱动器连接端互相连接构成一个整体，协同驱动实现大变形。
本发明还公开了一种基于形状记忆合金驱动的变体机身，包括：平直地板和蒙皮，所述平直地板的外沿与所述蒙皮的外沿连接，且所述平直地板和所述蒙皮所围空间内设有多个用于支撑所述蒙皮且沿所述变体机身的延伸方向排列的内部空间保持框；
所述内部空间保持框的截面呈类V形，上端与所述平直地板连接，下端具有用于支撑所述蒙皮呈弧面状的圆弧端；
所述内部空间保持框两侧分别通过多个沿所述内部空间保持框侧面排列且如权利要求4所述的驱动器与所对应的所述蒙皮连接；
所述驱动器包括两个分别与所述蒙皮和所述内部空间保持框连接的所述驱动器连接端。
所述蒙皮包括多个微纳结构管条，所述微纳结构管条的延伸方向与所述变体机身的延伸方向相一致；
所述微纳结构管条的截面包括两个相对设置且无上底的等腰梯形框，两个所述等腰梯形框通过其腰的上端互相连接，相邻所述微纳结构管条之间通过连接板连接且连接处的截面位于两个所述等腰梯形框连接处上；
所述蒙皮的等效弹性模量参数通过等效均匀化思想得到。
所述平直地板、所述蒙皮和所述内部空间保持框之间通过粘接连接；
所述蒙皮、所述内部空间保持框和所述驱动器连接端之间通过粘接连接。
所述驱动器数量通过拓扑优化技术确定。
所述蒙皮通过形状记忆合金材料制成，形状记忆合金具有质量轻、自身可变形等特点，可以进一步优化飞机性能，具有更好的环境适应性和飞行能力。
所述驱动器主体呈圆环形或椭圆环形。
所述驱动器在热驱动下协同作用改变所述蒙皮的形状从而改变所述变体机身的形状。
所述变体机身的截面呈半圆形；
位于同一所述驱动器主体上的两个所述驱动器连接端位于经过所述驱动器主体轴线的直线上且所述直线垂直于所述内部空间保持框侧面。
本发明具有随驱动器和几何参数变化的可调变形量，结构简单，便于制造，在航空航天、汽车等领域具有良好且广泛的应用前景。
本发明具有以下优点：
(1)本发明的一种一体式大变形形状记忆合金驱动器，可以减小整体变形结构的体积和质量，简化控制系统结构，使整体变形结构更紧凑。
(2)本发明的一种一体式大变形形状记忆合金驱动器，可以利用结构几何形状自身来放大伸长量，从而获得较大的变形。
(3)本发明的一种一体式大变形形状记忆合金驱动器，可以多个驱动器快速组合排列，从而获得更大的变形。
(4)本发明的一种基于形状记忆合金驱动的变体机身利用驱动器，可以减小整体变形结构的体积和质量，简化控制系统结构，使整体变形结构更紧凑。
基于上述理由本发明可在驱动装置、智能变体技术等领域广泛推广。
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为本发明的实施例1中一种一体式大变形形状记忆合金驱动器的结构示意图。
图2为本发明的实施例1中驱动器主体的结构示意图(整体为实体结构)。
图3为本发明的实施例1中驱动器主体的结构示意图(整体为微纳结构)。
图4为本发明的实施例1中驱动器主体的结构示意图(包括局部分段微纳结构和局部分段实体结构)。
图5为本发明的实施例1中多个驱动器组合示意图。
图6为本发明的实施例2中一种基于形状记忆合金驱动的变体机身的示意图(支撑部分)。
图7为本发明的实施例2中蒙皮示意图。
图8为本发明的实施例2中蒙皮截面示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例1
如图1-图5所示，一种一体式大变形形状记忆合金驱动器，包括：驱动器主体1和位于所述驱动器主体1外侧的两个驱动器连接端2；
所述驱动器主体1和所述驱动器连接端2为一体式结构；
所述驱动器主体1和所述驱动器连接端2通过形状记忆合金材料制成。
所述驱动器主体1的整体为实体结构或微纳结构，如图2和图3所示；
所述微纳结构包括多个整体组成所述驱动器主体1形状的微纳单胞3；
所述微纳单胞3的形状为六边形。
所述驱动器主体1由多个局部分段4组成，多个所述局部分段4中至少包括一个局部分段微纳结构和至少一个局部分段实体结构，如图4所示；
所述局部分段微纳结构包括多个整体组成所述局部分段微纳结构形状的微纳单胞3；
所述微纳单胞3的形状为六边形。
所述驱动器主体1呈椭圆环形或圆环形。
多个所述驱动器主体1可通过所述驱动器连接端2互相连接构成一个整体，协同驱动实现大变形，如图5所示
实施例2
如图6-图8所示，一种基于形状记忆合金驱动的变体机身，包括：平直地板5和蒙皮6，所述平直地板5的外沿与所述蒙皮6的外沿连接，且所述平直地板5和所述蒙皮6所围空间内设有多个用于支撑所述蒙皮6且沿所述变体机身的延伸方向排列的内部空间保持框7；
所述内部空间保持框7的截面呈类V形，上端与所述平直地板5连接，下端具有用于支撑所述蒙皮6呈弧面状的圆弧端8；
所述内部空间保持框7两侧分别通过多个沿所述内部空间保持框7侧面排列且如实施例1所述的驱动器与所对应的所述蒙皮6连接；
所述驱动器包括两个分别与所述蒙皮6和所述内部空间保持框7连接的所述驱动器连接端2。
所述蒙皮6包括多个微纳结构管条，所述微纳结构管条的延伸方向与所述变体机身的延伸方向相一致；
所述微纳结构管条的截面包括两个相对设置且无上底的等腰梯形框9，两个所述等腰梯形框9通过其腰的上端互相连接，相邻所述微纳结构管条之间通过连接板10连接且连接处的截面位于两个所述等腰梯形框9连接处上；
所述蒙皮6的等效弹性模量参数通过等效均匀化思想得到。
所述平直地板5、所述蒙皮6和所述内部空间保持框7之间通过粘接连接；
所述蒙皮6、所述内部空间保持框7和所述驱动器连接端2之间通过粘接连接。
所述驱动器数量通过拓扑优化技术确定。
所述蒙皮6通过形状记忆合金材料制成。
所述变体机身的截面呈半圆形；
位于同一所述驱动器主体1上的两个所述驱动器连接端2位于经过所述驱动器主体1轴线的直线上且所述直线垂直于所述内部空间保持框7侧面。
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 (10)

1.一种一体式大变形形状记忆合金驱动器，其特征在于：包括：驱动器主体和位于所述驱动器主体外侧的多个驱动器连接端；
所述驱动器主体和所述驱动器连接端为一体式结构；
所述驱动器主体和所述驱动器连接端通过形状记忆合金材料制成。
2.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于：所述驱动器主体的整体为实体结构或微纳结构；
所述微纳结构包括多个整体组成所述驱动器主体形状的微纳单胞；
所述微纳单胞的形状为四边形、六边形、圆形或椭圆形中的一种。
3.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于：所述驱动器主体由多个局部分段组成，多个所述局部分段中至少包括一个局部分段微纳结构和至少一个局部分段实体结构；
所述局部分段微纳结构包括多个整体组成所述局部分段微纳结构形状的微纳单胞；
所述微纳单胞的形状为四边形、六边形、圆形或椭圆形中的一种。
4.根据权利要求1-3任意权利要求所述的驱动器，其特征在于：所述驱动器主体呈椭圆环形、圆环形、菱环形或S形中的一种。
5.一种基于形状记忆合金驱动的变体机身，其特征在于：包括：平直地板和蒙皮，所述平直地板的外沿与所述蒙皮的外沿连接，且所述平直地板和所述蒙皮所围空间内设有多个用于支撑所述蒙皮且沿所述变体机身的延伸方向排列的内部空间保持框；
所述内部空间保持框的截面呈类V形，上端与所述平直地板连接，下端具有用于支撑所述蒙皮呈弧面状的圆弧端；
所述内部空间保持框两侧分别通过多个沿所述内部空间保持框侧面排列且如权利要求4所述的驱动器与所对应的所述蒙皮连接；
所述驱动器包括两个分别与所述蒙皮和所述内部空间保持框连接的所述驱动器连接端。
6.根据权利要求5所述的变体机身，其特征在于：所述蒙皮包括多个微纳结构管条，所述微纳结构管条的延伸方向与所述变体机身的延伸方向相一致；
所述微纳结构管条的截面包括两个相对设置且无上底的等腰梯形框，两个所述等腰梯形框通过其腰的上端互相连接，相邻所述微纳结构管条之间通过连接板连接且连接处的截面位于两个所述等腰梯形框连接处上；
所述蒙皮的等效弹性模量参数通过等效均匀化思想得到。
7.根据权利要求5所述的变体机身，其特征在于：所述平直地板、所述蒙皮和所述内部空间保持框之间通过粘接连接；
所述蒙皮、所述内部空间保持框和所述驱动器连接端之间通过粘接连接。
8.根据权利要求5所述的变体机身，其特征在于：所述驱动器数量通过拓扑优化技术确定。
9.根据权利要求5所述的变体机身，其特征在于：所述蒙皮通过形状记忆合金材料制成。
10.根据权利要求5所述的变体机身，其特征在于：所述变体机身的截面呈半圆形；
位于同一所述驱动器主体上的两个所述驱动器连接端位于经过所述驱动器主体轴线的直线上且所述直线垂直于所述内部空间保持框侧面。
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