CN110828972A - 一种可变形可重构的地面天线连接部件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变形可重构的地面天线连接部件，能够有效解决天线桁架结构在保证结构完整性的同时实现变形调控问题，属于智能结构技术领域。本发明包括承载面板、杆件连接凸台、承载面板之间的软质折痕、双程形状记忆合金弹簧、内部连接凸台和电加热棒，构成一个整体部件单位。多个部件单位可以进行组合，实现多级、多模式变形。本发明能够替换现有天线桁架中的部分刚性连接部件，完成桁架拓扑结构的局部调控，实现天线整体外形的改变，解决了智能可重构部件在承载能力、变形能力和调控方式之间的矛盾，通过一体化结构设计和制造，降低智能可重构部件的成本和工艺复杂度，拓展了单一可重构连接部件的调控能力，提高了适用范围。

Description

一种可变形可重构的地面天线连接部件

技术领域

本发明涉及一种针对地面天线的可变形可重构连接部件，用以实现天线拓扑结构的局部调控，属于智能结构技术领域。

背景技术

大型天线通常采用桁架结构承载并支撑抛物面反射体，其中，桁架结构通过焊接或铆接等刚性连接固定以保证刚度和强度。为了实现多频段、多工况服役的功能，近年来，可变形天线成为相关领域的研究热点。现有设计方案中，天线大型桁架结构的变形大多通过杆件连接处的机电系统实现，即，采用机械调节系统加控制电机的方式，使相互连接的杆件在角度和相对位置上发生变化，从而实现桁架整体形状的调控。对于大型桁架，需要在结构中布置诸多机电调控部件，这无疑增加了制造成本和系统复杂度。

另一种可行的设计思路是，采用智能可重构部件作为桁架系统的调节部件，但相关研究尚处于起步阶段。不同于结构形式单一的静态承载部件，智能可重构部件是一类可按需改变其形状和功能的部件，它在物理力学性质需要动态调控的应用场合中具有突出优势，且具有结构形式简单、变形量大、调控方法丰富等优点。现有智能可重构部件的实现路径，通常包括以下三种：第一种，采用形状记忆聚合物、水凝胶、磁响应聚合物等智能材料实现平滑的形状调控。第二种，利用结构变形中的能量突变现象，例如双稳态构型的失稳，快速完成形状调控。第三种，直接通过外力改变部件的拓扑结构，例如近年来提出的折纸可展结构等。针对大型天线等实际应用场合，上述智能可重构部件有三个突出的问题。首先，结构的刚度和强度无法满足实际需求。现有概念设计中大多利用聚合物等软质材料变形量大、韧性高的特点实现形状调控，但这些软质材料在刚度上和大型桁架中的金属/复合材料还有很大差距，无法支撑所连接的杆件；而另一方面金属和复合材料又无法在保证结构完整性的同时实现大变形调控。其次，智能可重构部件的调控方法与实际需求不符。现有智能可重构部件往往利用光、热、化学试剂等实验室常见的激励方式进行调控，这些方法不能直接应用于需要户外服役的场合。另外，现有智能可重构部件在制造方法上的优势并不明显，依然需要加工、组装、调试等繁琐的步骤。

综上所述，有必要开发一种针对大型天线桁架结构的，兼具高承载能力和变形调控能力、并且可实现一体化制造的智能可重构连接部件。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，为解决天线桁架结构在保证结构完整性的同时能够实现变形调控的技术问题，提出一种可应用于大型地面天线桁架结构的，具有承载能力且可进行电控变形和一体化制造的智能可重构连接部件，即智能可重构连接部件。这种可变形可重构的连接部件，能够替换现有天线桁架中的部分刚性连接部件，完成桁架拓扑结构的局部调控，实现天线整体外形的改变。

本发明所述的一种可变形可重构的地面天线连接部件，包括承载面板、杆件连接凸台、承载面板之间的软质折痕、双程形状记忆合金弹簧、内部连接凸台和电加热棒。

所述承载面板，其材料可采用金属或复合材料。在承载面板上设置有杆件连接凸台。杆件连接凸台上设置有内凹连接孔，用于连接金属或复合材料杆件。

一个连接部件包含多个承载面板，如四个、六个、八个承载面板等。每个承载面板可与一根杆件相连接，具体连接数目根据空间桁架的实际拓扑结构决定。承载面板两两相接，组成多边形。承载面板的相接处为软质折痕，优选的，软质折痕的材料可采用硫化橡胶或硅橡胶等，保证相邻面板可在驱动下发生较大的相对变形。

软质折痕与承载面板的连接部位，采用锯齿形咬合结构增强界面强度，保证变形时二者不会发生分离。优选的，由承载面板、杆件连接凸台、软质折痕、内部连接凸台组成的框架结构，可以通过3D打印机一体化制造，由于两种材料界面处的锯齿形咬合结构的存在，整体结构打印完成后，不需要再进行机加工和粘接。

双程形状记忆合金弹簧，常温时，弹簧处于长度较短的状态，加热至形状记忆合金马氏体相变温度以上，弹簧发生伸长变形，再次降温后弹簧恢复最初长度；变形过程中，弹簧刚度不会发生衰减。双程形状记忆合金弹簧，通过内部连接凸台，与相对的承载面板相连接，当连接双程形状记忆合金弹簧后，多边形框架静定，承载面板不能再自由改变相互之间的角度，后多边形框架的整体形状由双程形状记忆合金弹簧的长度唯一确定。这种静定特性和形状记忆合金本身的刚度，保证了连接部件具有一定的承载能力。

双程形状记忆合金弹簧的变形，通过插入其中心的电加热棒实现。电加热棒经由弹簧所连接承载面板的中心圆孔和内部连接凸台内部通孔，插入弹簧内部，并外接导线与电源相连。通电加热后，电热棒温度迅速提高至形状记忆合金马氏体相变温度以上，驱动弹簧伸长，使多边形框架发生变形，同时各个承载面板所连接杆件的相对角度发生变化。

本发明的另一个目的，是提供一种利用单个可重构连接部件进行组合设计，实现多级、多模式变形。单个智能连接部件虽然可以实现相邻杆件大范围角度调控，但只有唯一的调控模式，一种结构对应一种角度变化值。本发明提出一类基于部件组合的多级智能接头结构，可以实现相邻杆件的多级多模式角度调控。

第一种设计思路为，将多个多边形基本部件进行组合，相邻两个部件的承载面板相连接，或者直接共用一个承载面板；然后，对每个部件中的双程形状记忆合金弹簧进行单独控制，使这些部件分别发生变形，实现连接杆件相对角度渐次发生变化。

第二种设计思路为，直接对智能接头部件的构型进行多级设计。在连接相邻杆件的接头部件中，使用多组双程形状记忆合金弹簧，对这多组双程形状记忆合金弹簧分别进行控制，实现接头部件的多种变形模式。

有益效果

本发明具有以下优点：

(1)解决了智能可重构部件在承载能力、变形能力和调控方式之间的矛盾；

(2)提出通过一体化结构设计和制造降低智能可重构部件的成本和工艺复杂度；

(3)通过组合结构设计拓展了单一可重构连接部件的调控能力，提高了其适用范围。

附图说明

图1为本发明提供的基本智能连接部件结构图；

图2为本发明提供的第一种多级智能连接部件结构图；

图3为本发明提供的第二种多级智能连接部件结构图；

图4为本发明提供的智能连接部件的一个实施例的承载行为曲线；

图5为本发明提供的智能连接部件的一个实施例的角度调控曲线；

图1中：1-承载面板；2-杆件连接凸台；3-软质折痕；4-双程形状记忆合金弹簧；5-内部连接凸台；6-电加热棒；7-支撑面板；8-人字形支撑部件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容进行进一步描述。

实施例1

如图1所示，一种针对地面大型天线的可变形可重构连接部件，包括6个承载面板1、6个杆件连接凸台2、6个软质折痕3、1个双程形状记忆合金弹簧4、2个内部连接凸台5、1个电加热棒6。6个承载面板1组成一个六边形结构。

所述承载面板1，采用硬质复合材料，面板厚度为3mm，面板长度为50mm，面板宽度为30mm；软质折痕2采用橡胶材料，折痕厚度为3mm，折痕长度为5mm，面板宽度为30mm。可以利用3D打印机，一体化制造六边形框架。

采用丝径1mm高度12mm的双程形状记忆合金弹簧4，通过六边形框架的内部连接凸台5与框架连接。

在六边形框架外侧的杆件连接凸台2上连接杆件，使其连入大型桁架结构中。

连接双程形状记忆合金弹簧4的承载面板1、内部连接凸台5内开有通孔，用于插入电加热棒6。

向双程形状记忆合金弹簧4中心嵌入额定功率为20W的电加热棒6，并连接直流电源。

电热棒在12V直流电压下，电流可达到1.6A，双程形状记忆合金弹簧4在加热作用下发生伸长变形至18mm，驱动所连接杆件相对角度发生变化。断电后，双程形状记忆合金弹簧4收缩为初始长度12mm，杆件相邻角度恢复初始值。

沿智能连接部件一个轴线方向进行压缩实验，可见结构刚度在变形过程中基本保持不变，如图4所示。变形过程中，相邻杆件角度变化情况如图5所示。

实施例2

如图2所示，一种针对地面大型天线的可变形可重构连接部件，将两个六边形智能连接部件的一组承载面板1相连接，并取消杆件连接凸台2，然后分别在两个部件中，加入双程形状记忆合金弹簧4，弹簧内部插入电加热棒6。电加热棒6连接直流电源。其余与实施例1相同。

首先，为图2中编号为a的双程形状记忆合金弹簧4通电加热，弹簧伸长后I、II、III号杆件的空间位置发生变化，IV、V、VI号杆件的空间位置不变。然后，为图2中编号为b的双程形状记忆合金弹簧4通电加热，I-VI号杆件的空间位置均发生改变。

两个部件中的电加热棒6断电后，弹簧恢复初始长度，所有杆件的空间位置也回到初始状态。

实施例3

如图3所示，一种针对地面大型天线的可变形可重构连接部件，具体实施步骤如下：

每隔两个承载面板1，加入一个支撑面板7，然后分别通过双程形状记忆合金弹簧4，与多边形(六边形)中心的人字形支撑部件8连接。支撑面板7中心开有圆孔，用于插入电加热棒6。其余实施例1相同。

首先，为图3中编号为c的双程形状记忆合金弹簧4通电加热，弹簧伸长后I-IV号杆件的空间位置发生变化，V、VI号杆件的空间位置不变。然后，为图3中编号为d和e的双程形状记忆合金弹簧4通电加热，I-VI号杆件的空间位置均发生改变。

两个部件中的电加热棒6断电后，弹簧恢复初始长度，所有杆件的空间位置也回到初始状态。

Claims (9)

1.一种可变形可重构的地面天线连接部件，其特征在于，包括承载面板(1)、杆件连接凸台(2)、承载面板之间的软质折痕(3)、双程形状记忆合金弹簧(4)、内部连接凸台(5)和电加热棒(6)；

杆件连接凸台(2)设置在承载面板(1)上；杆件连接凸台(2)上设有内凹连接孔，用于连接外部的杆件；每个承载面板(1)与一根杆件相连接，具体数目根据空间桁架的实际拓扑结构决定；承载面板(1)两两相接，组成多边形；承载面板(1)之间的相接处为软质折痕(3)，其中，软质折痕(3)与承载面板(1)的连接部位，采用锯齿形咬合结构；

双程形状记忆合金弹簧(4)，常温时，弹簧处于长度较短的状态，加热至形状记忆合金马氏体相变温度以上，弹簧发生伸长变形，再次降温后弹簧恢复最初长度；变形过程中，弹簧刚度不会发生衰减；

双程形状记忆合金弹簧(4)通过内部连接凸台(5)，与相对的承载面板(1)相连接；当连接双程形状记忆合金弹簧(4)后，多边形框架静定，承载面板(1)不能再自由改变相互之间的角度，多边形框架的整体形状由双程形状记忆合金弹簧(4)的长度唯一确定；

双程形状记忆合金弹簧(4)的变形，通过插入其中心的电加热棒(6)实现；电加热棒(6)经由双程形状记忆合金弹簧(4)所连接承载面板(1)中心圆孔，以及内部连接凸台(5)内部的通孔，插入双程形状记忆合金弹簧(4)内部，外接导线与电源相连；通电加热后，电加热棒(6)温度迅速提高至形状记忆合金马氏体相变温度以上，驱动弹簧伸长，使多边形框架发生变形，同时各个承载面板(1)所连接杆件的相对角度发生变化。

2.如权利要求1所述的一种可变形可重构的地面天线连接部件，其特征在于，将多个地面天线连接部件进行组合，相邻两个部件的承载面板(1)相连接，并取消该承载面板(1)上的杆件连接凸台(2)，然后，对每个部件中的双程形状记忆合金弹簧(4)进行单独控制，使部件分别发生变形，实现连接杆件相对角度渐次发生变化。

3.如权利要求2所述的一种可变形可重构的地面天线连接部件，其特征在于，将多个地面天线连接部件进行组合，相邻两个部件直接共用一个承载面板(1)。

4.如权利要求1所述的一种可变形可重构的地面天线连接部件，其特征在于，每隔两个承载面板(1)，加入一个支撑面板(7)，然后分别通过双程形状记忆合金弹簧(4)，与多边形中心的人字形支撑部件(8)连接；支撑面板(7)中心开有圆孔，用于插入电加热棒(6)。

5.如权利要求1或2或5所述的一种可变形可重构的地面天线连接部件，其特征在于，由承载面板(1)、杆件连接凸台(2)、软质折痕(3)、内部连接凸台(5)组成的框架结构，通过3D打印机一体化制造。

6.如权利要求1或2或5所述的一种可变形可重构的地面天线连接部件，其特征在于所述承载面板(1)采用金属材料。

7.如权利要求1或2或5所述的一种可变形可重构的地面天线连接部件，其特征在于所述承载面板(1)采用复合材料。

8.如权利要求1或2或5所述的一种可变形可重构的地面天线连接部件，其特征在于所述软质折痕(3)采用硫化橡胶。

9.如权利要求1或2或5所述的一种可变形可重构的地面天线连接部件，其特征在于所述软质折痕(3)采用硅橡胶。

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