CN111717368B - 基于形状记忆合金的柔性翼结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于形状记忆合金的柔性翼结构及其制造方法，属于飞机零部件领域，包括定型框架和若干独立的弯曲机构，各弯曲机构沿翼臂方向并列且分别与定型框架固定连接；弯曲机构包括有记忆合金件、柔性铰链、弹性蒙皮、摆动尾和多个相互连接的刚性连接件，摆动尾通过刚性连接件连接到定型框架上，刚性连接件的具有呈锥形的连接部，连接部的锥形尖端通过柔性铰链连接相邻刚性连接件，在柔性铰链的上下两侧分别设置有一记忆合金件，各记忆合金件分别连接相邻的刚性连接件，各记忆合金件通电或断电可控制弯曲机构上下摆动；解决现有机翼结构不易控制、控制结构缺陷导致机翼部分结构疲劳寿命低、效率低、等难题。
Description
技术领域
本发明涉及基于形状记忆合金的柔性翼结构及其制造方法，属于飞机零部件领域。
背景技术
机翼的运动翼面通过改变机翼翼面形状来改变飞机机翼面积，传统的机翼后缘采用滑轨丝杠等方法，传统的机翼结构不仅会在机翼上产生结构缝隙，也会影响机翼的气动外形，降低缝隙周围结构的疲劳寿命。
而NiTi形状记忆合金作为一种应用广泛的智能材料，其具有的形状记忆效应和超弹性的特性逐渐进入不同的领域并获得了良好的应用， NiTi形状记忆合金NiTi的原子百分比约为1:1，其具有形状记忆效应，形状记忆合金先由孪晶马氏体相受力相变为非孪晶马氏体相，然后对非孪晶马氏体相加热使其相变为奥氏体相，最后冷却相变为孪晶马氏体相的过程；其中，孪晶马氏体相相变为非孪晶马氏体相会发生宏观形状的改变，奥氏体与孪晶马氏体的相变不会导致宏观形状的改变，奥氏体与非孪晶马氏体相变会导致宏观形状的改变；此外形状记忆合金的超弹性是在一定温度或温度范围下，形状记忆合金发生马氏体相变和马氏体逆相变的过程而表现出的具有大变形效果的现象；在室温下，该合金表现形状记忆效应；形状记忆合金通电时将获得加热的效果，从而能够控制形状记忆合金的形状变化。
由于上述特性，以及形状记忆合金强度高、抗疲劳、耐腐蚀等特性，使得其智能控制能够被应用在航空航天、仪器仪表和医疗等领；为了填补国内外形状记忆合金在飞机机翼上应用的空白，以及充分利用其特点，克服传统的机翼后缘滑轨丝杠结构的缺点，解决现有机翼结构不易控制、控制结构缺陷导致机翼部分结构疲劳寿命低、效率低等难题。
发明内容
本发明的目的在于，解决上述问题，设计了本发明，解决现有机翼结构不易控制、控制结构缺陷导致机翼部分结构疲劳寿命低、效率低、等难题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于形状记忆合金的柔性翼结构，包括定型框架和若干独立的弯曲机构，各弯曲机构沿翼臂方向并列且分别与定型框架固定连接；弯曲机构包括有记忆合金件、柔性铰链、弹性蒙皮、摆动尾和多个相互连接的刚性连接件，摆动尾通过刚性连接件连接到定型框架上，刚性连接件的具有呈锥形的连接部，连接部的锥形尖端通过柔性铰链连接相邻刚性连接件，在柔性铰链的上下两侧分别设置有一记忆合金件，各记忆合金件分别连接相邻的刚性连接件，各记忆合金件通电或断电可控制弯曲机构上下摆动；摆动尾的上下两侧分别通过一弹性蒙皮与定型框架连接，且弹性蒙皮与其内侧的刚性连接件固定连接。
优选的：刚性连接件呈四边形或三角形结构，相邻刚性连接件的角处相对并通过通过柔性铰链连接，记忆合金件连接在相邻刚性连接件的对应的边处之间；在记忆合金件与刚性连接件的连接处设置有中间连接件。
优选的：记忆合金件使用PWM脉冲电流信号控制，通过调整电流信号的大小和通电时间控制弯曲机构的弯曲幅度和弯曲时间。
优选的：刚性连接件、摆动尾、定型框架使用PLA材料3D打印而成，摆动尾、定型框架分别与对应刚性连接件的对应边处固定连接；弹性蒙皮PP材料3D打印而成；柔性铰链使用TPU材料3D打印而成。
优选的：所述记忆合金件为记忆合金弹簧或具有多重形状记忆效应的形状记忆合金丝。
优选的：所述记忆合金弹簧的制造方法，包括如下步骤：
S1：前期处理：选用直径0.7mm的NiTi丝（Af=70℃）作为母材，缠绕在直径为8mm的螺柱上，两端用熔点大于NiTi丝热处理温度的铁丝固定；
S2：热处理工艺：把固定好的螺柱和NiTi丝放进坩埚，然后一同放入热处理炉并锁紧炉门，热处理后随炉冷却。
优选的：NiTi丝为Ni的质量分数为55.72%的实心合金丝；热处理工艺中，热处理炉的热处理温度500℃，时长为1小时。
优选的：具有多重形状记忆效应的形状记忆合金丝是经激光处理并具有承受通电可变形特性的结构，其激光处理方法包括以下步骤：
S1：选用直径2mm的具有形状记忆功能的NiTi合金丝，依次用丙酮、酒精和去离子水进行清洗后吹干备用；将NiTi合金丝固定，并在待激光处理的部位通入惰性保护气体；
S2：激光处理前先通30s保护气体，分别对NiTi合金丝的上下两面各进行一次激光处理，即沿NiTi合金丝的轴向方向对其进行激光改性处理。
优选的：NiTi合金丝中Ni的质量分数为55.72%；激光处理采用Nd：YAG激光焊接机，激光波长1064nm, 激光器频率设置为0.4Hz，保护气体流速为15L/min。
优选的：步骤s1中NiTi合金丝由固定夹具固定，该固定夹具包括夹具座和夹具盖体，在夹具盖体上设置有激光入射口和上进气口；在夹具座上设置有重熔腔和下进气口，激光入射口、上进气口、出口处设置有、重熔腔、下进气口相互连通；在夹具座和夹具盖体的对向侧分别设置有半圆形槽，两者配合组成合金丝孔，合金丝孔穿过重熔腔的口部并固定NiTi合金丝以备其激光改性处理。
本发明的有益效果为：
1、本方案中，提供了一种基于形状记忆合金的柔性翼结构，充分利用形状记忆合金弹簧的超弹性或具有多重记忆效应的形状记忆合金丝的形状记忆特性；以解决现有机翼结构不易控制、控制结构缺陷导致机翼部分结构疲劳寿命低、效率低等问题；
2、本结构中的柔性翼结构中多采用非金属材料制成，具有重量轻，成本低等优点，相比于传统的滑轨丝杠的控制结构，其具有更轻的质量，易操控的特性；
3、由于该柔性翼结构采用具有记忆特性的记忆合金件，此外，其弯曲机构的弯曲角度可以通过控制记忆合金件收缩量进行控制，并且同一弯曲机构可以串入更多的记忆合金件，从而实现弯曲角度的堆叠；相比于在传统的滑轨丝杠控制下的机翼俯仰角度，柔性翼结构可控的俯仰角度更大，从而有利于机翼的快速攀升或下降；
4、此外，本方案中还提供了两种记忆合金件及其制造方法，分别为记忆合金弹簧和具有多重形状记忆效应的形状记忆合金丝；这两种结构都能够实现通过电流控制记忆合金件收缩的效果，两种制备方法均能够使得对应的记忆合金件能够达到预期的效果；
5、本柔性翼结构中的各个部件均为标准件，能够有利于各个部件的批量制造，降低柔性翼结构的制造难度和成本，同时保证柔性翼结构的控制精度的统一。
附图说明
图1为本柔性翼结构的侧面视图；
图2为本柔性翼结构细节结构图；
图3为单个柔性翼结构的整体结构图；
图4为上弯曲状态记忆合金件的状态图；
图5为下弯曲状态记忆合金件的状态图；
图6为固定夹具的整体结构图；
图7为固定夹具的剖面图；
图8激光改性的示意图。
附图标记：1-定型框架，2-弯曲机构，3-刚性连接件，4-记忆合金件，5-中间连接件，6-弹性蒙皮，7-柔性铰链，8-摆动尾，9-夹具座，10-夹具盖体，11-上进气口，12-下进气口，13-激光入射口，14-合金丝孔。
具体实施方式
实施例1
如附图所示，本发明的一种基于形状记忆合金的柔性翼结构，包括定型框架1和若干独立的弯曲机构2；整个柔性翼结构呈梳子状，定型框架1呈U字形，弯曲机构2呈梳齿状均匀分布在定型框架1的U字形内侧。
各弯曲机构2沿翼臂方向相互并列布置，各个弯曲机构2的一侧分别与定型框架1固定连接。
弯曲机构2包括有记忆合金件4、柔性铰链7、弹性蒙皮6、摆动尾8和2-5个刚性连接件3等部件，位于左侧和位于右侧的刚性连接件3呈三角形；位于中间的刚性连接件3呈四边形；各个刚性连接件3的呈锥形的角处即为连接部；最左侧的刚性连接件3的边处与定型框架1固定连接，摆动尾8连接在最右侧的刚性连接件3的边处；相邻刚性连接件3在锥形的连接部处通过柔性铰链7相互连接；在柔性铰链7的上下两侧分别设置有一记忆合金件4，每个记忆合金件4两端分别连接两个相邻的刚性连接件3的边处；在摆动尾8的上下两侧分别连接有一弹性蒙皮6，弹性蒙皮6呈扁带状，弹性蒙皮6的一端与摆动尾8连接，另一端连接定型框架1；刚性连接件3上部或下部的角处分别与弹性蒙皮6固定连接；在记忆合金件4与刚性连接件3的连接处设置有中间连接件5。
每个弯曲机构2上侧的记忆合金件4串联并电连接到控制电路中，相邻弯曲机构2的记忆合金件4的电连接关系为并联；同一个弯曲机构2位于柔性铰链7上侧和下侧的记忆合金件4的电连接关系为并联；各记忆合金件4通电或断电时，各记忆合金件4被呈电阻性，被电加热后进行形状记忆，从而控制弯曲机构2向上或者向下摆动。记忆合金件4使用PWM脉冲电流信号控制，通过调整电流信号的大小和通电时间控制弯曲机构2的弯曲幅度和弯曲时间。
刚性连接件3、摆动尾8、定型框架1使用PLA材料3D打印而成，摆动尾8、定型框架1分别与对应刚性连接件3的对应边处固定连接；弹性蒙皮6PP材料3D打印而成；柔性铰链7使用TPU材料3D打印而成；结构中多采用非金属材料制成，具有重量轻，成本低等优点，相比于传统的滑轨丝杠的控制结构，其具有更轻的质量，易操控的特性。
实施例2
在实施例1的结构基础上，所述记忆合金件4为记忆合金弹簧
该记忆合金弹簧的制造方法，包括如下步骤：
S1：前期处理：选用直径0.7mm的NiTi丝（Af=70℃）作为母材，缠绕在直径为8mm的螺柱上，两端用熔点大于NiTi丝热处理温度的铁丝固定；
S2：热处理工艺：把固定好的螺柱和NiTi丝放进坩埚，然后一同放入热处理炉并锁紧炉门，热处理后随炉冷却。
NiTi丝为Ni的质量分数为55.72%的实心合金丝；热处理工艺中，热处理炉的热处理温度500℃，时长为1小时。
实施例3
在实施例1的结构基础上，所述记忆合金件4为具有多重形状记忆效应的形状记忆合金丝，多重形状记忆效应即在一根镍钛丝上，根据需求，在不同的节点进行不同的激光处理，激光处理的不同具体体现为激光处理功率、激光波长、激光器频率、时间等，使其在不同的处理点具有不同的形状记忆效应；该具有多重形状记忆效应的形状记忆合金丝是经激光处理并具有承受通电可变形特性的结构，其中一个点激光处理方法示例为以下步骤：
S1：选用直径2mm的具有形状记忆功能的NiTi合金丝，依次用丙酮、酒精和去离子水进行清洗后吹干备用；将NiTi合金丝固定，并在待激光处理的部位通入惰性保护气体；惰性保护气体一般采用氩气；
S2：激光处理前先通30s保护气体，分别对NiTi合金丝的上下两面各进行一次激光处理，即沿NiTi合金丝的轴向方向对其进行激光改性处理。
NiTi合金丝中Ni的质量分数为55.72%；激光处理采用Nd：YAG激光焊接机，激光波长1064nm, 激光器频率设置为0.4Hz，保护气体流速为15L/min。
改变激光处理的参数即可实现不同的激光处理。
如图6和7所示，步骤s1中NiTi合金丝由固定夹具固定，该固定夹具包括夹具座9和夹具盖体10，在夹具盖体10上设置有激光入射口13和上进气口11；在夹具座9上设置有重熔腔和下进气口12，激光入射口13、上进气口11、出口处设置有、重熔腔、下进气口12相互连通；激光入射口13同时作为惰性气体的排出口；在夹具座9和夹具盖体10的对向侧分别设置有半圆形槽，两者配合组成合金丝孔14，合金丝孔14穿过重熔腔的口部并固定NiTi合金丝以备其激光改性处理。
上述实施例仅仅是为了清楚的说明所做的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.基于形状记忆合金的柔性翼结构，其特征在于：包括定型框架和若干独立的弯曲机构，各弯曲机构沿翼臂方向并列且分别与定型框架固定连接，呈梳齿状分布；弯曲机构包括有记忆合金件、柔性铰链、弹性蒙皮、摆动尾和多个相互连接的刚性连接件，摆动尾通过刚性连接件连接到定型框架上，刚性连接件的具有呈锥形的连接部，连接部的锥形尖端通过柔性铰链连接相邻刚性连接件，在柔性铰链的上下两侧分别设置有一记忆合金件，各记忆合金件分别连接相邻的刚性连接件，各记忆合金件通电或断电可控制弯曲机构上下摆动；摆动尾的上下两侧分别通过一弹性蒙皮与定型框架连接，且弹性蒙皮与其内侧的刚性连接件固定连接；
相邻弯曲机构的记忆合金件的电连接关系为并联，同一弯曲机构位于柔性铰链上下两侧的记忆合金件的电连接关系为并联；记忆合金件为具有多重形状记忆的形状记忆合金丝。
2.如权利要求1所述的柔性翼结构，其特征在于：刚性连接件呈四边形或三角形结构，相邻刚性连接件的角处相对并通过柔性铰链连接，记忆合金件连接在相邻刚性连接件的对应的边处之间；在记忆合金件与刚性连接件的连接处设置有中间连接件。
3.如权利要求2所述的柔性翼结构，其特征在于：记忆合金件使用PWM脉冲电流信号控制，通过调整电流信号的大小和通电时间控制弯曲机构的弯曲幅度和弯曲时间。
4.如权利要求3所述的柔性翼结构，其特征在于：刚性连接件、摆动尾、定型框架使用PLA材料3D打印而成，摆动尾、定型框架分别与对应刚性连接件的对应边处固定连接；弹性蒙皮PP材料3D打印而成；柔性铰链使用TPU材料3D打印而成。
5.如权利要求1-4之一所述的柔性翼结构，其特征在于：所述记忆合金件为记忆合金弹簧或具有多重形状记忆效应的形状记忆合金丝。
6.如权利要求5所述的柔性翼结构，其特征在于：所述记忆合金弹簧的制造方法，包括如下步骤：
S1：前期处理：选用直径0.7mm、Af=70℃的NiTi丝作为母材，缠绕在直径为8mm的螺柱上，两端用熔点大于NiTi丝热处理温度的铁丝固定；
S2：热处理工艺：把固定好的螺柱和NiTi丝放进坩埚，然后一同放入热处理炉并锁紧炉门，热处理后随炉冷却。
7.如权利要求6所述的柔性翼结构，其特征在于：NiTi丝为Ni的质量分数为55.72%的实心合金丝；热处理工艺中，热处理炉的热处理温度500℃，时长为1小时。
8.如权利要求5所述的柔性翼结构，其特征在于：具有多重形状记忆效应的形状记忆合金丝是经激光处理并具有承受通电可变形特性的结构，其激光处理方法包括以下步骤：
S1：选用直径2mm的具有形状记忆功能的NiTi合金丝，依次用丙酮、酒精和去离子水进行清洗后吹干备用；将NiTi合金丝固定，并在待激光处理的部位通入惰性保护气体；
S2：激光处理前先通30s保护气体，分别对NiTi合金丝的上下两面各进行一次激光处理，即沿NiTi合金丝的轴向方向对其进行激光改性处理。
9.如权利要求8所述的柔性翼结构，其特征在于：NiTi合金丝中Ni的质量分数为55.72%；激光处理采用Nd：YAG激光焊接机，激光波长1064nm, 激光器频率设置为0.4Hz，保护气体流速为15L/min。
10.如权利要求9所述的柔性翼结构，其特征在于：步骤s1中NiTi合金丝由固定夹具固定，该固定夹具包括夹具座和夹具盖体，在夹具盖体上设置有激光入射口和上进气口；在夹具座上设置有重熔腔和下进气口，激光入射口、上进气口、出口处设置有、重熔腔、下进气口相互连通；在夹具座和夹具盖体的对向侧分别设置有半圆形槽，两者配合组成合金丝孔，合金丝孔穿过重熔腔的口部并固定NiTi合金丝以备其激光改性处理。
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