CN115649415A - 一种分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于智能变形蒙皮领域，公开了一种分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构。主动变形蒙皮结构在厚度方向上，从下至上依次叠加弹性支撑层、导热绝缘基体和弹性整流层构成主动变形蒙皮主体；主动变形蒙皮主体的前端为固定端，后端为分布式驱动端；导热绝缘基体内嵌入平行排列的若干根形状记忆合金丝，各形状记忆合金丝的前端固定在固定端上，后端固定在分布式驱动端上，各形状记忆合金丝之间相互隔离而且绝缘。主动变形蒙皮结构利用蒙皮与空气对流散热提升形状记忆合金冷区效率，实现蒙皮主动大变形，同时改善蒙皮承载刚度，实现柔性蒙皮材料、结构和驱动一体化，能够推广应用于变形机翼、变形舵面、变形进气道等变体飞行器的特定部件。
Description
技术领域
本发明属于智能变形蒙皮领域，具体涉及一种分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构。
背景技术
传统的飞行器结构设计注重于强度和刚度，为此增加的额外重量影响了飞行器性能。现代飞行器技术的迅速发展，逐渐催生出“智能变体飞行器”概念，即通过实时改变飞行器的几何外形和物理属性，提高飞行器的效率、机动性、多环境和多任务适应性等性能，达到全航程最优。由此可见，智能变体飞行器广泛集成了智能材料结构、新型作动器和先进传感器，根据不同的飞行条件，能够柔顺、平滑、自主地改变飞行器的局部或整体外形，改善飞行器的气动特性，高效完成飞行任务，是一种具有飞行自适应能力的新概念飞行器。
随着新型智能材料与结构的发展，变形机翼技术向着智能化和柔性化的方向演变，采用智能柔性变形机翼技术的智能变体飞行器逐渐能够得以实现，加强以下两个方面的研究将会对智能变体飞行器的智能柔性变形机翼技术的应用发展带来革命性的变化。
（1）在柔性蒙皮材料方面，加强形状记忆材料、纤维增强柔性材料和高性能薄膜等新型材料的研究，突破材料柔韧性与载荷承载性能瓶颈，使柔性蒙皮材料能够多自由度、大尺度变形并承受气动载荷作用，实现超柔、超韧、超轻和大承载、长寿命的性能飞跃。
（2）在变形驱动控制方面，利用智能材料驱动变形，并实现柔性蒙皮材料、结构和驱动一体化是当前的研究热点和未来应用的发展方向。
但是，目前轻量化设计的智能材料变形驱动系统的驱动力和位移量都比较小，无法满足应用要求。通过增加智能材料的体积和数量虽然能够增大驱动力和变形量，但同时也会增加驱动系统的体积和重量，与飞行器的轻量化设计要求相矛盾。
鉴于此，加强新型智能材料和变形蒙皮技术与系统的研究，发展具有超小、超轻、超快、驱动力强和简单易集成等特点的分布式驱动智能蒙皮系统，是未来飞行器智能化重要发展方向。
目前，大部分柔性蒙皮属于被动变形蒙皮，即需要额外的驱动系统驱动机翼内部机构与柔性蒙皮协同变形，同时，蒙皮还要保持气动流形和承载气动载荷，存在柔性变形和刚性承载的矛盾性。
当前，亟需发展一种分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构。
本发明的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构，其特点是，所述的主动变形蒙皮结构包括固定端、形状记忆合金丝、分布式驱动端、弹性整流层、导热绝缘基体和弹性支撑层；在厚度方向上，从下至上依次叠加弹性支撑层、导热绝缘基体和弹性整流层，弹性支撑层、导热绝缘基体和弹性整流层构成主动变形蒙皮主体；主动变形蒙皮主体的前端为固定端，主动变形蒙皮主体的后端为分布式驱动端；导热绝缘基体内嵌入平行排列的若干根形状记忆合金丝，各形状记忆合金丝的前端固定在固定端上，后端固定在分布式驱动端上，各形状记忆合金丝之间相互隔离而且绝缘。
进一步地，所述的形状记忆合金丝的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相。
进一步地，所述的弹性整流层用于保持主动变形蒙皮的连续气动型面，安装状态为从固定端到分布式驱动端方向拉紧的具有预应力安装。
进一步地，所述的导热绝缘基体为形状记忆合金丝提供绝缘和导热环境，导热绝缘基体与弹性整流层之间紧密贴合、不留空隙。
进一步地，所述的弹性支撑层用于固定和支撑导热绝缘基体，弹性支撑层与形状记忆合金丝共同为主动变形蒙皮提供横向刚度，弹性支撑层的型面根据主动变形蒙皮型面和变形需求进行预设；弹性支撑层的材质为包括碳纤维增强复合材料CFRP在内的纤维增强复合材料；弹性支撑层的结构为波纹结构或者变泊松比结构。
本发明的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构具有以下优点：
1.解决了传统的被动变形蒙皮在柔性变形和刚性承载的矛盾难题，主动变形蒙皮采用形状记忆合金丝作为强化纤维，改善蒙皮的承载刚度，同时，弹性整流层具有柔软、大变形、导热性良好的特点，能够在保持蒙皮的连续气动型面的基础上快速导热，实现了主动变形蒙皮的柔性变形要求。
2.将蒙皮变形的驱动机构集成到主动变形蒙皮内，舍弃了机翼内部驱动结构，既减轻整体重量，又简化了结构的复杂性。
3.解决了形状记忆合金驱动频率低的难题，充分利用蒙皮与空气对流换热，降低形状记忆合金丝冷却时间，提升了形状记忆合金丝的作动频率。
本发明的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构借鉴纤维增强复合材料、形状记忆合金温控变形等领域的研究思想，采用夹心复合结构构型，通过形状记忆合金丝作为强化纤维，改善蒙皮承载刚度；通过高导热率的导热绝缘基体与弹性支撑层，充分利用蒙皮与空气对流换热，降低形状记忆合金丝冷却时间，提升形状记忆合金丝作动频率。
简而言之，本发明的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构利用蒙皮与空气对流散热提升形状记忆合金冷区效率，实现蒙皮主动大变形，同时改善蒙皮承载刚度，实现柔性蒙皮材料、结构和驱动一体化，具有工程推广价值，能够推广应用于变形机翼、变形舵面、变形进气道等变体飞行器的特定部件。
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，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1为本发明的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构示意图；
图2为本发明的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构在厚度方向截面图；
图3a为本发明的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构在变弯度机翼中的应用实例（主视图）；
图3b为本发明的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构在变弯度机翼中的应用实例（俯视图）。
图中，1.固定端；2.形状记忆合金丝；3.分布式驱动端；4.弹性整流层；5.导热绝缘基体；6.弹性支撑层；7.固定块；8.主动变形蒙皮；9.后缘块。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
如图1、图2所示，本发明的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构包括固定端1、形状记忆合金丝2、分布式驱动端3、弹性整流层4、导热绝缘基体5和弹性支撑层6；在厚度方向上，从下至上依次叠加弹性支撑层6、导热绝缘基体5和弹性整流层4，弹性支撑层6、导热绝缘基体5和弹性整流层4构成主动变形蒙皮主体；主动变形蒙皮主体的前端为固定端1，主动变形蒙皮主体的后端为分布式驱动端3；导热绝缘基体5内嵌入平行排列的若干根形状记忆合金丝2，各形状记忆合金丝2的前端固定在固定端1上，后端固定在分布式驱动端3上，各形状记忆合金丝2之间相互隔离而且绝缘。
进一步地，所述的形状记忆合金丝2的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相。
进一步地，所述的弹性整流层4用于保持主动变形蒙皮的连续气动型面，安装状态为从固定端1到分布式驱动端3方向拉紧的具有预应力安装。
进一步地，所述的导热绝缘基体5为形状记忆合金丝2提供绝缘和导热环境，导热绝缘基体5与弹性整流层4之间紧密贴合、不留空隙。
进一步地，所述的弹性支撑层6用于固定和支撑导热绝缘基体5，弹性支撑层6与形状记忆合金丝2共同为主动变形蒙皮提供横向刚度，弹性支撑层6的型面根据主动变形蒙皮型面和变形需求进行预设；弹性支撑层6的材质为包括碳纤维增强复合材料CFRP在内的纤维增强复合材料；弹性支撑层6的结构为波纹结构或者变泊松比结构。
实施例1
图3a、图3b给出了本发明的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构在变弯度机翼中的应用实例。变弯度机翼包括从前至后固定连接的固定块7、主动变形蒙皮8和后缘块9，变弯度机翼的初始平衡状态为上下对称的二维翼型。变弯度机翼的主动变形蒙皮8的弹性整流层4的厚度为t1、导热绝缘基体5的厚度为t2、弹性支撑层6的厚度为t3，形状记忆合金丝2的半径为R，形状记忆合金丝2之间的距离为L。
变弯度机翼能够实现机翼弦向变弯度和机翼展向变弯度。
a.机翼弦向变弯度的流程如下：
给变弯度机翼的上部蒙皮的全部、或展向对称面对称分布的形状记忆合金丝2通电，形状记忆合金丝2在电流焦耳加热作用下升温，当温度升至形状记忆合金奥氏体相变结束温度，即Af以上，形状记忆合金由马氏体完全转变为奥氏体，奥氏体材料弹性模量远超马氏体，残余应变产生的拉力变大，打破原来的平衡，机翼后缘向上弯曲。反之，给变弯度机翼的下部蒙皮全部、或展向对称面对称分布的形状记忆合金丝2通电，机翼后缘向下弯曲。
停止通电后，导热绝缘基体5将形状记忆合金丝2的热量传导至弹性整流层4，机翼外表面空气强制对流与弹性整流层4对流换热，机翼内部自然对流同时降温，快速冷却形状记忆合金至马氏体相变结束温度，即Mf以下，变弯度机翼恢复至初始平衡状态。
b.机翼展向变弯度的流程如下：
给变弯度机翼的上部蒙皮的展向对称面一侧分布的全部、或部分形状记忆合金丝2通电，通电部分的形状记忆合金由马氏体完全转变为奥氏体，驱动对应的后缘块9产生向上弯曲，产生扭转，同时驱动下部蒙皮反对称位置的形状记忆合金丝2，后缘块9关于展向产生对称扭转。
同理，反向驱动，则会产生另一方向的扭转或对称扭转。
Claims (5)
1.一种分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构，其特征在于，所述的主动变形蒙皮结构包括固定端（1）、形状记忆合金丝（2）、分布式驱动端（3）、弹性整流层（4）、导热绝缘基体（5）和弹性支撑层（6）；在厚度方向上，从下至上依次叠加弹性支撑层（6）、导热绝缘基体（5）和弹性整流层（4），弹性支撑层（6）、导热绝缘基体（5）和弹性整流层（4）构成主动变形蒙皮主体；主动变形蒙皮主体的前端为固定端（1），主动变形蒙皮主体的后端为分布式驱动端（3）；导热绝缘基体（5）内嵌入平行排列的若干根形状记忆合金丝（2），各形状记忆合金丝（2）的前端固定在固定端（1）上，后端固定在分布式驱动端（3）上，各形状记忆合金丝（2）之间相互隔离而且绝缘。
2.根据权利要求1所述的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构，其特征在于，所述的形状记忆合金丝（2）的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相。
3.根据权利要求1所述的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构，其特征在于，所述的弹性整流层（4）用于保持主动变形蒙皮的连续气动型面，安装状态为从固定端（1）到分布式驱动端（3）方向拉紧的具有预应力安装。
4.根据权利要求1所述的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构，其特征在于，所述的导热绝缘基体（5）为形状记忆合金丝（2）提供绝缘和导热环境，导热绝缘基体（5）与弹性整流层（4）之间紧密贴合、不留空隙。
5.根据权利要求1所述的分布式形状记忆合金驱动的主动变形蒙皮结构，其特征在于，所述的弹性支撑层（6）用于固定和支撑导热绝缘基体（5），弹性支撑层（6）与形状记忆合金丝（2）共同为主动变形蒙皮提供横向刚度，弹性支撑层（6）的型面根据主动变形蒙皮型面和变形需求进行预设；弹性支撑层（6）的材质为包括碳纤维增强复合材料CFRP在内的纤维增强复合材料；弹性支撑层（6）的结构为波纹结构或者变泊松比结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230131 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |