CN110304269A - 一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扭矩测试技术领域，公开了一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构，包括：该结构包括多段式肋架、SMA丝、肋架与夹具固连装置、环形压电陶瓷和钢材料组成的夹具；所述多段式肋架以铰链连接可发生相对转动，所述SMA丝通过变形产生的应力驱动舵面发生偏转，所述肋架与夹具固连装置将夹具固定在肋架的侧表面上，所述环形压电陶瓷和钢材料组成的夹具可通过改变压电陶瓷的厚度来夹紧需要产生驱动力的SMA丝，释放暂时无需工作的SMA丝。本发明的上述技术方案具有SMA丝驱动控制灵活的优点，可有效解决SMA丝冷却时间过长导致的舵面偏转速度较慢的问题，缩短舵面偏转的周期。

Description

一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构

技术领域

本发明属于飞行器设计制造技术领域，特别涉及一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构。

背景技术

飞行器的操纵面通常被称为舵面，其偏转角度不同时，对飞行器空气动力学特性的影响会发生变化，因此，基于不同舵面偏转角度的飞行器风洞试验研究具有重要意义。形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)是一种广泛应用于驱动结构的智能材料，可利用SMA的形状记忆效应，将SMA变形产生的应力作为驱动力来驱动舵面连续偏转。尽管SMA丝具备体积小、质量轻、应力大、频响特性好等多种优势，其冷却速度却相当缓慢，这一定程度上限制了舵面偏转的速度和角度，导致舵面偏转周期长、风洞试验效率低下。因此，有必要研制一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构，有效解决SMA丝冷却时间过长导致的舵面偏转速度较慢的问题，以此提高风洞试验效率。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构，解决SMA丝冷却时间过长导致的舵面偏转速度较慢的问题。

本发明技术解决方案：为解决上述问题，本发明提供一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构，该结构包括多段式肋架、SMA丝、肋架与夹具固连装置、环形压电陶瓷和钢材料组成的夹具。

在没有可控夹具的结构中，一个周期的SMA丝加热驱动完成之后，仍需等待所有SMA丝冷却下来才能进行下一个周期的驱动。为了进一步减小SMA丝的冷却时间对整体变形速度的影响，可以更改SMA丝与肋架的连接方式。当SMA丝与肋架固连时，即便在肋架两侧均配置了SMA丝，两侧的SMA丝也不能各自独立发挥驱动作用，若能将暂时不起驱动作用的SMA丝释放，两侧的SMA丝便可以各自独立驱动，驱动过程也更为灵活。为了实现SMA丝的释放，设计一种可控的夹具来操作，这种夹具应可提供足够大的力来夹紧需要发挥驱动作用的SMA丝，也要有足够小的尺寸来嵌入到当前的结构中。压电陶瓷作为一种智能材料，具有独特的逆压电效应，表现为对压电陶瓷加电压，会使其产生应变，此应变伴随着一定的应力，也就是所研究的结构中所需的驱动力。由此可知压电陶瓷是一种合适的材料，于是采用压电陶瓷的作为可控夹具来完成对SMA丝驱动过程的控制。

本结构利用压电陶瓷的特性设计了一种可控夹具，用于辅助SMA丝的驱动过程，具体实现为改变SMA丝与肋架的连接方式。不同于原有变形结构中SMA丝直接与肋架固连，本结构中引入了压电陶瓷这种智能材料，借助于压电陶瓷设计了一种可控的夹具，利用其逆压电效应，通过外电场的变化改变压电陶瓷所输出的驱动力，从而夹紧需要产生驱动力的SMA丝，释放暂时无需工作的SMA丝，使变形过程更为灵活。本结构实质上是通过SMA丝表面的摩擦力来带动肋架各段发生相对转动，从而实现舵面的偏转。环形压电陶瓷及内部的高弹性模量钢构成了SMA丝的可控夹具，当压电陶瓷通电时，其厚度会增大，从而产生向内的压力，通过钢材料传递到SMA丝表面。由于钢材料与SMA丝的接触面积要远小于其与压电陶瓷的接触面积，因此，作用在SMA丝表面的压力会有一个放大效应，从而使SMA丝表面的摩擦力相应增大。同时，在每个驱动中，都有两根SMA丝同时作用，可减小每根SMA丝上所需的摩擦力。当SMA丝加热收缩时，即可带动肋架产生相应的运动。而当SMA丝无需起作用时，停止对压电陶瓷通电，则SMA丝的变形不会对舵面产生影响。

例如，假使肋架向上偏转，可选择加热上侧SMA丝来实现，此时可对该SMA丝处的压电陶瓷通电流，使其可以产生摩擦力从而驱动舵面。同时，释放背面的上侧SMA丝和两面的下侧SMA丝。而当使肋架向下偏转时，释放上侧SMA丝并对下侧SMA丝处的压电陶瓷通电，即可实现驱动目标。

在SMA丝与外电路连接之前，还需经过固定在肋架上的旋转电动机。在没有可控夹具的结构中，SMA丝是与肋架固连的，当SMA丝收缩并起到驱动作用后，可借助对侧SMA丝将其拉伸，从而可以再次驱动。而在本结构中，由于可控夹具将SMA丝释放之后，对侧的SMA丝无法将其拉伸，因此需要辅助装置将SMA丝拉伸到预设的可驱动长度。旋转电动机可以实现这种功能。在使用旋转电机拉伸SMA丝时，同样是由压电陶瓷制作的可控夹具固定SMA丝，对旋转电动机通电，将SMA丝拉伸到预设的长度，然后将其释放，便可用于接下来的驱动过程。

另外，由于SMA丝的端点处需与外部电路连接，其位移受到一定的限制，因此本结构具有良好的可靠性，无需担心被释放的SMA丝会从压电陶瓷处脱落。

本发明的上述技术方案具有如下优点：性能稳定，操作简单；可实现SMA丝夹紧和释放的灵活控制。本结构采用智能材料包括压电陶瓷和SMA来实现对舵面偏转的驱动作用，可以有效解决SMA丝冷却时间过长导致的舵面偏转速度较慢的问题。

附图说明

图1为依照本发明实施例的可控夹具的立体结构示意图；

图2为依照本发明实施例的可控夹具的平面结构示意图；

图3为依照本发明实施例的可控夹具在舵面内部肋架上的位置示意图；

图中：1：固连装置；2：环形压电陶瓷；3：钢材料；4：SMA丝；5：可控夹具；6：肋架第一段；7：铰链；8：肋架第二段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图3所示，本发明实施例提供一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构，包括1、固连装置4、SMA丝5、可控夹具6、肋架第一段7、铰链8、肋架第二段。

如图1、2所示为图3中5、可控夹具放大后的结构示意图，包括1、固连装置2、环形压电陶瓷3、钢材料4、SMA丝。

舵面内部的肋架被换分为两段6和8，二者通过铰链7相连接，其中肋架第一段6固定不动，肋架第二段8可转动，从而使得舵面发生偏转。两段肋架之间的相对转动由SMA丝4驱动，肋架的正面和背面各有上下侧两根SMA丝，即一共四根SMA丝。每根SMA丝的两端由固连装置1分别与两段肋架相连接，且可控夹具仅存在于SMA丝与肋架第一段的固连装置中。当环形压电陶瓷2通电时，其厚度会增大，从而产生向内的压力，通过钢材料3传递到SMA丝4表面。由于钢材料与SMA丝的接触面积要远小于其与压电陶瓷的接触面积，因此，作用在SMA丝表面的压力会有一个放大效应，从而使SMA丝表面的摩擦力相应增大。同时，在每个驱动中，都有两根SMA丝同时作用，可减小每根SMA丝上所需的摩擦力。当SMA丝加热收缩时，即可带动肋架产生相应的转动。而当SMA丝无需起作用时，停止对压电陶瓷通电，则SMA丝的变形不会对舵面产生影响。

具体实施时，若要使肋架向上偏转，可选择加热上侧SMA丝来实现，此时对该SMA丝处的压电陶瓷通电流使其夹紧产生摩擦力，当上侧SMA丝加热收缩时，肋架第二段8以铰链7为转轴发生向上的转动，从而驱动舵面向上偏转。同时，释放背面的上侧SMA丝和两面的下侧SMA丝。而当使肋架向下偏转时，释放上侧SMA丝并对下侧SMA丝处的压电陶瓷通电，即可实现驱动目标。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构，包括多段式肋架、SMA丝、肋架与夹具固连装置、环形压电陶瓷和钢材料组成的夹具，其特征在于：所述夹具与肋架是相对固定的，由固连装置分别固定在肋架的侧表面，SMA丝与固连装置通过环形压电陶瓷和高弹性模量钢材料相接触，以此实现SMA丝的夹紧或释放。

2.根据权利要求1所述的多段式肋架，其特征在于：所述肋架被分为两段，这两段肋架之间仅通过铰链相连接，且二者之间发生相对转动时的以铰链为转轴，并无出铰链以外的面接触或其他接触。

3.根据权利要求1所述的肋架与夹具固连装置，其特征在于：所述装置为柱形构件，柱形的轴与所述多段式肋架连接表面相垂直，每根SMA丝两端各有一个，且为对称设置。

4.根据权利要求1所述的SMA丝，其特征在于：所述SMA丝相对肋架无偏转时侧截面三角形的中线为对称轴是对称分布的，且任意两根SMA丝相互平行，所有SMA丝平行于肋架侧面。

5.根据权利要求1所述的环形压电陶瓷和钢材料组成的夹具，其特征在于：环形压电陶瓷外侧固定于肋架与夹具的固连装置内部，钢材料的外侧与环形压电陶瓷内侧为固定连接，钢材料的内侧与SMA丝的表面相接触。