CN110215939A - 一种基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,包括用于组成装置本体的若干椴木板和用于连接相邻椴木板的若干驱动件;椴木板呈方形结构,其每条边的中间部位开设连接区,连接区内均匀开设若干切口;驱动件包括驱动件上部和驱动件下部;驱动件上部和驱动件下部之间通过过渡段平滑连接;将驱动件上部嵌入一块椴木板上的切口内,驱动件的下部嵌入另一块椴木板上对应的切口内,实现相邻两块椴木板之间的连接。本发明采用小半径的“S型”过渡段,既能避免在弯曲过程中产生失稳,又能提供更大的回复弯矩;采用不同初始形状的驱动部件(改变角度、形状、尺寸等)配合的方案,来解组装过程中决残余变形、临近变形时提供弯矩过小的问题。
Description
技术领域
本发明属于温度感应实现自组装的技术领域,具体涉及一种基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置。
背景技术
形状记忆效应,即材料能够在特定条件下被赋形,由初始形态被转变为赋形后的形态,并在受热、光、磁、化学刺激后,主动地由赋形后形态转变为初始形态的性质参与组成自组装结构是形状记忆聚合物一类重要的运用。
其中,形状记忆聚氨酯(SMPU)是一种能够响应热刺激的聚氨酯高分子材料,其在不同温度下的弹性模量E不同(如图6所示),能够感应外界的温度变化的刺激而能从任意赋型形状向初始形状转变,其中使模量剧变的温度范围称为玻璃化转变区,玻璃化转变温度Tg约等于该区域范围的中值。
形状记忆聚氨酯的赋型、回复阶段的应力-应变曲线如图7所示。形状记忆聚氨酯的形状记忆效应是由玻璃态—橡胶态转变产生的,整个过程可分为“赋型”与“回复”。
根据自由体积理论,聚氨酯在达到玻璃化温度后,其自由体积会随温度的升高而增大。加载时,温度大于玻璃化态温度Tg而小于熔融温度Tm,聚氨酯材料发生变形。此时材料自由体积大,分子链段异构运动较为活跃而整链总体不发生滑动,导致变形产生的内应力随时间迅速减小,即松弛明显(表观上模量很小)。随后降温至玻璃化转化温度Tg以下,分子链段运动被冻结,内应力驱使下的蠕变回复时间变长,由于回复时间远大于观察时间(表观上模量很大),可以认为其在卸载后能够暂时固定在现有形状(内应力并未消失,而是实现自平衡),这一过程称为“赋形”。
将赋形后的聚合物再次加热至玻璃化温度以上,聚合物分子链段运动变得活跃,在内应力驱动下能迅速回复至原有形状。这一过程称为“回复”,而在回复过程中产生的内应力称为回复应力。
自组装结构,即材料能够自发地从一种易于制造,运输的结构转变为另一种较为复杂的结构,在诸多领域有广泛的前景。例如在传统的卫星中,太阳能帆板的展开等操作通常依赖于机械铰链,马达等驱动工具,由于结构复杂,很容易造成组装困难,可靠性低等问题。而使用依赖于形状记忆效应的自组装装置可以解决这个问题,只需要施加相应的刺激,结构可以自动变形到预先设计的形状。
而现有技术的自组装装置大多由电力带动,受恶劣极端环境条件的局限性大,且维护不便,价格昂贵,耗能大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足,提供一种基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的,本发明采取的技术方案是:
一种基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,其包括用于组成装置本体的若干椴木板和用于连接相邻椴木板的若干驱动件;
椴木板呈方形结构,其每条边的中间部位开设连接区,连接区内均匀开设若干切口;
驱动件包括驱动件上部和驱动件下部;驱动件上部和驱动件下部之间通过过渡段平滑连接;将驱动件上部嵌入一块椴木板上的切口内,驱动件的下部嵌入另一块椴木板上对应的切口内,实现相邻两块椴木板之间的连接。
优选地,驱动件包括二号驱动件和三号驱动件;所述二号驱动件的驱动件上部和驱动件下部之间的角度为90°,三号驱动件的驱动件上部和驱动件下部之间的角度为88°。
优选地,二号驱动件、三号驱动件的过渡段内侧均包括依次平滑连接的第一内弧形段、第二内弧形段和第三内弧形段,其外侧均包括依次平滑连接的第一外弧形段、第二外弧形段和第三外弧形段。
优选地,第一内弧形段和第一外弧形段为同心圆,第二内弧形段和第二外弧形段为同心圆,第三内弧形段和第三外弧形段为同心圆。
优选地,二号驱动件中的第一内弧形段和第三内弧形段对应的圆心角为59°,半径为1.5mm;第二内弧形段对应的圆心角为27°,半径为2.2mm。
优选地,二号驱动件中的第一外弧形段和第三外弧形段对应的圆心角为64°,半径为2.2mm;第二外弧形段对应的圆心角为37°,半径为2.5mm。
优选地,三号驱动件中的第一内弧形段和第三内弧形段对应的圆心角为59°,第二内弧段对应的圆心角为25°;第一外弧形段和第三外弧形段对应的圆心角为64°,第二外弧段对应的圆心角为35°。
优选地,驱动件上部和驱动件下部的长度为8mm,驱动件宽度为2.2mm,厚度1.8mm。
优选地,椴木板的边长为40mm。
优选地,驱动件的材质为形状记忆聚氨酯。
本发明提供的基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,具有以下有益效果:
本发明通过温度的变化促使驱动件动作,并自动完成装置的自组作业,使得整个装置结构更加简单,在制作、使用和后续维护时也更加方便;除此,由于在组装时不需要额外的能量供给,该装置不仅能节约可观的能耗,也为实现在极端环境如不便使用电源或其他能源输入的环境下的组装控制提供了条件。
附图说明
图1为基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置的展开图。
图2为基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置的装置本体图。
图3为基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置的自组装示意图。
图4为基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置的椴木板。
图5为基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置的二号驱动件。
图6为形状记忆聚氨酯在不同温度下的弹性模量。
图7为形状记忆聚氨酯的“加载、回复阶段”的应力—应变曲线。
图8为基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置1号-7号(依次从左到右,从上到下)驱动件。
图9为ABAQUS仿真1号-7号回复弯矩随温度的变化曲线。
图10为ABAQUS仿真1号-7号回复阶段应变随温度的变化曲线
其中,1、椴木板;2、二号驱动件;3、三号驱动件;4、连接区;41、切口;21、驱动件上部;22、驱动件下部;23、第一内弧形段;24、第二内弧形段;25、第三内弧形段;26、第一外弧形段;27、第二外弧形段;28、第三外弧形段。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例,参考图1,本方案的基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,包括用于组成装置本体的若干椴木板1和用于连接相邻椴木板1的若干驱动件。
参考图4,椴木板1呈方形结构,边长为40mm,其每条边的中间部位开设连接区4,连接区4内均匀开设若干切口41,优选切口41数量为5个,用于与驱动件配合,实现驱动件与椴木板1之间的连接。
本发明的感应驱动部分所用材料——形状记忆聚氨酯(SMPU)是一种新型的智能材料,SMPU形状记忆过程分为“赋形”和“回复”两个部分。在玻璃态温度Tg以上(熔融温度Tm以下,下同)加载,使形状记忆聚氨酯材料发生变形,随后降温至Tg以下,能够暂时固定在现有形状,这一过程称为“赋形”。赋形后将形状记忆聚氨酯再次加热至Tg以上能使其回复至初始形状,这一过程称为“回复”,而在回复过程中产生的应力称为回复应力。
参考图1和图2,驱动件包括驱动件上部21和驱动件下部22,驱动件上部21和驱动件下部22之间通过过渡段平滑连接,将驱动件上部21嵌入一块椴木板1上的切口内,驱动件的下部嵌入另一块椴木板1上对应的切口内,实现相邻两块椴木板1之间的连接。图1中相邻椴木板1之间的内侧采用二号驱动件2进行连接,其外侧采用三号驱动件3进行连接。其余驱动件的安装方法类似于二号驱动件2,此处不累述。
参考图8,由于驱动件的形状、尺寸决定了整体结构自主装的过程和结果。为达到较好的自组装结果,设计了1-7号七种SMPU驱动件。其中1号-3号号宽度为2.2mm,厚度1.8mm;4号-7号宽度为3mm,厚度2mm;3号、9号两臂夹角为88°,其余均为90°;1号、4号采用“1/4圆弧过渡”,其余均采用“S型”过渡。
其中,二号驱动件2的驱动件上部21和驱动件下部22之间的角度为90°,三号驱动件3的驱动件上部21和驱动件下部22之间的角度为88°。
参考图5,二号驱动件2、三号驱动件3的过渡段内侧均包括依次平滑连接的第一内弧形段23、第二内弧形段24和第三内弧形段25,其外侧均包括依次平滑连接的第一外弧形段26、第二外弧形段27和第三外弧形段28。
第一内弧形段23和第一外弧形段26为同心圆,第二内弧形段24和第二外弧形段27为同心圆,第三内弧形段25和第三外弧形段28为同心圆。
二号驱动件中的第一内弧形段和第三内弧形段对应的圆心角为59°,半径为1.5mm;第二内弧形段对应的圆心角为27°,半径为2.2mm。
二号驱动件中的第一外弧形段和第三外弧形段对应的圆心角为64°,半径为2.2mm;第二外弧形段对应的圆心角为37°,半径为2.5mm。
三号驱动件中的第一内弧形段和第三内弧形段对应的圆心角为59°,第二内弧段对应的圆心角为25°;第一外弧形段和第三外弧形段对应的圆心角为64°,第二外弧段对应的圆心角为35°。
驱动件上部21和驱动件下部22的长度为8mm,驱动件宽度为2.2mm,厚度1.8mm。
采用ABAQUS对上述7种驱动件结构进行形状记忆循环仿真,仿真模型采用粘弹性模型,分析步及载荷见表1。仿真结果如图9、图10所示:
表1 ABAQUS分析步及载荷设置
参考图9,由4号-7号(宽3mm,厚2mm)与1号-3号(宽2.2mm,厚1.8mm)两组曲线束,可得改变试样的截面的尺寸可明显改变部件在约束回复段的回复力矩(此后均用回复力矩来描述,是回复应力的积分结果),可根据实际需要来设计不同的形状及尺寸来满足自主装结构对回复力矩的需求。分别观察曲线5号、6号、7号与4号,以及2号、3号与1号,可得采用“S型”过渡段的部件在约束回复中能够提供更大的回复力矩大于“1/4圆弧”过渡段;但5号反而减小,是应为其“S型”过渡段半径过大,在形状记忆循环中产生的应变比“1/4圆弧”过渡段小,在回复阶段提供的回复弯矩也较小,说明过渡段的形状及尺寸设计是改变驱动件回复力矩大小的关键。分别观察6号与7号,以及2号与3号,可得88°夹角部件产生的回复弯矩大于90°。
在实际应用中,采用“1/4圆弧”过渡段的部件比“S型”过渡段更容易发生失稳,导致提供的回复力矩变得更小,容易导致结构无法完成自组装,故不采用1号、4号类型部件。
由于驱动部件在实际应用过程中不可避免得会产生残余变形,而使自组装停留在在临近完成组装的状态。本发明通过采用不同初始形状的部件,来协调配合,使自组装顺利完成。
综上所述,本发明以采用2号、3号部件为自组装提供回复弯矩为例,通过相互配合,在临近回复状态,3号提供足够回复弯矩(此时2号因残余变形而弯矩为零),使结构继续向预设状态变形。当转角达到90°后,由于3号预设角度为88°,考虑残余变形后任可能存在微小的回复应力;此时结构处于重力势能最高状态,容易应微小的扰动、弯矩等参数过变形(夹角小于88°),而恰恰此时2号部件承受反向弯曲,在小变形范围内平衡3号部件多余的弯矩,从而使结构尽可能精准的变形到预设状态(夹角为90°)。
综上分析,在设计自组装结构时,优先采用小半径的“S型”过渡段,既能避免在弯曲过程中产生失稳,又能提供更大的回复弯矩;为了能使装置达到较为精准回复到预先设计的位置,优先考虑配合不同初始形状的驱动部件(改变角度、形状、尺寸等),来解决残余变形、临近变形时提供弯矩过小的问题;根据实际需求来确定截面尺寸,以保证提供足够大的回复力矩。
所述的形状记忆聚氨酯材料置于自组装结构的各框架之间,起连接框架以及驱动结构完成自组装的作用。在实际运用时,可根据具体情况设计形状记忆聚氨酯的形状、大小等相关尺寸以及驱动能力,并可根据具体使用条件自由选择加工方式以便实现具体功能。
由于形状记忆聚氨酯材料本身对温度的高敏感性,形状记忆聚氨酯变形之后的回复是可预测的,其在自由回复条件下名义应变随温度变化的仿真情况如10所示。3号与7号由于预设角度为88°,故其在赋型后的角度为92°,比其余的大2°;角度相同的驱动件回复阶段角度变化基本一致。形状回复能使该装置根据环境温度变化对目标进行更多样而精准的组装控制。就其组成结构来看,该装置可设计性强,可根据具体使用条件设计其大小、形状等参数,既可广泛应用于机械内部狭小的空间内,也能在自组装功能实现大型物件危险物间的整装工作。形状记忆聚氨酯的形状记忆效应又让该装置具有可多次重复利用的特点。
根据本申请的一个实施例,本发明以采用2号、3号部件为自组装提供回复弯矩为例,将图1所示成型后的聚氨酯驱动件插入至椴木板1的切口内,结果如图2所示。
在使用前,将环境温度升高到玻璃化温度Tg+20℃以上后,对以形状记忆聚氨酯作为材料的作为连接和驱动件进行赋形处理:对图2所示的结构施加外力,使整个结构快速变形至图1所示状态;随后降温,使装置的形状固定,赋形完成,此时驱动件上部21和下部22之间为180°。
随后可将装置置于工作环境下,等待接受温度刺激,执行自组装功能。
根据本申请的一个实施例,本发明可以应用于危险环境,当然椴木板1可以替换为其它材质,其材质选择根据具体使用环境而定。
某一危险放热化学反应在反应前一阶段,需要向容器中添加某危险化学药品;当反应发生,温度升高到一定值后需停止向反应容器中添加该药品的实例进行说明。
将固定有危险药品的装置置于发生危险放热化学反应的环境下,在化学反应前一阶段,环境温度较低,装置表现为图1所示的平直状态,装置可向化学容器中以某种速率向装置中投放药品。当该放热化学反应进行到一定程度时,使环境温度升高,当环境温度达到Tg以上时,形状记忆聚合物感受到温度升高,由形状记忆聚氨酯制成的连接驱动件接受到温度信号刺激后回复至弯曲状,整个装置回复至图2的形状,将药品包裹住,阻止药品的释放,控制任务得以完成。以此可以替代人工操作控制,保障人员安全,节省人力。
在实际运用中,可根据具体的使用环境和使用条件对形状记忆聚氨酯赋形形状,大小等参数进行设计和制作。装置温度升高可由装置周围机器运作产生的热量、在装置周围进行的放热化学反应,以及太阳热辐射等因素引起;温度的降低可通过装置自行散热等方式实现,其整个“赋型”“回复”过程如图3所示。
由于该基于形状记忆聚氨酯的可通过感知温度变化实现自组装功能的装置简单,智能可控、维护方便、大小可根据具体使用环境需求进行设计调整、制作方便、运输方便、生产成本低,利于大量生产,可被批量大范围运用。采用本发明技术的形状记忆聚氨酯材料的温度感应自组装装置由于其不需要额外提供驱动电源,可应用于需要隔绝电磁干扰的器械内部、需要隔绝电源的危险潮湿厂房、不便提供电源的太空等环境。在实现不同功能时,可根据需要,对作为连接和驱动部分的形状记忆聚合物可被设计成多种形状。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述,但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内,本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,其特征在于:包括用于组成装置本体的若干椴木板和用于连接相邻椴木板的若干驱动件;
所述椴木板呈方形结构,其每条边的中间部位开设连接区,连接区内均匀开设若干切口;
所述驱动件包括驱动件上部和驱动件下部;所述驱动件上部和驱动件下部之间通过过渡段平滑连接;将所述驱动件上部嵌入一块椴木板上的切口内,驱动件的下部嵌入另一块椴木板上对应的切口内,实现相邻两块椴木板之间的连接。
2.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,其特征在于:所述驱动件包括二号驱动件和三号驱动件;所述二号驱动件的驱动件上部和驱动件下部之间的角度为90°,三号驱动件的驱动件上部和驱动件下部之间的角度为88°。
3.根据权利要求2所述的基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,其特征在于:所述二号驱动件、三号驱动件的过渡段内侧均包括依次平滑连接的第一内弧形段、第二内弧形段和第三内弧形段,其外侧均包括依次平滑连接的第一外弧形段、第二外弧形段和第三外弧形段。
4.根据权利要求3所述的基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,其特征在于:所述第一内弧形段和第一外弧形段为同心圆,第二内弧形段和第二外弧形段为同心圆,第三内弧形段和第三外弧形段为同心圆。
5.根据权利要求3所述的基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,其特征在于:所述二号驱动件中的第一内弧形段和第三内弧形段对应的圆心角为59°,半径为1.5mm;第二内弧形段对应的圆心角为27°,半径为2.2mm。
6.根据权利要求3所述的基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,其特征在于:所述二号驱动件中的第一外弧形段和第三外弧形段对应的圆心角为64°,半径为2.2mm;第二外弧形段对应的圆心角为37°,半径为2.5mm。
7.根据权利要求3所述的基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,其特征在于:所述三号驱动件中的第一内弧形段和第三内弧形段对应的圆心角为59°,第二内弧段对应的圆心角为25°;所述第一外弧形段和第三外弧形段对应的圆心角为64°,第二外弧段对应的圆心角为35°。
8.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,其特征在于:所述驱动件上部和驱动件下部的长度为8mm,驱动件宽度为2.2mm,厚度1.8mm。
9.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,其特征在于:所述椴木板的边长为40mm。
10.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚氨酯的感温自组装装置,其特征在于:所述驱动件的材质为形状记忆聚氨酯。
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