基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置.pdf

本发明公开了一种基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置，属于航空航天领域。包括基座、绝缘滑轮、绝缘滑块和SMA丝，绝缘滑轮至少为两个且为偶数，绝缘滑轮间隔安装基座的一侧，绝缘滑块与绝缘滑轮数量对应且平行设置在基座上；每个绝缘滑块均连接两根SMA丝，两根SMA丝的一端固定在基座与绝缘滑轮位置对应的另一侧上，其中任意一根SMA丝另一端与绝缘滑块直接连接，另一根SMA丝的另一端绕过绝缘滑轮与绝缘滑块连接。该驱动装置结构简单紧凑、双线程驱动，可以为智能蒙皮结构提供稳定可靠的驱动力；利用形状记忆合金丝材料作为驱动元件，其驱动条件简单、安全，驱动响应快，驱动力大，能耗较小，节能环保且无噪音、无污染。

1.  一种基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置，其特征在于：包括基座、绝缘滑轮、绝缘滑块和SMA丝，所述绝缘滑轮至少为两个且为偶数，所述绝缘滑轮间隔安装基座的一侧，所述绝缘滑块与绝缘滑轮数量对应设置在基座上；所述每个绝缘滑块均连接两根SMA丝，两根SMA丝的一端固定在基座与绝缘滑轮位置对应的另一侧上，其中任意一根SMA丝另一端与绝缘滑块直接连接，另一根SMA丝的另一端绕过绝缘滑轮与绝缘滑块连接。

2.  根据权利要求1所述的基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置，其特征在于：所述绝缘滑轮之间相对齐。

3.  根据权利要求1或2所述的基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置，其特征在于：所述绝缘滑轮与SMA丝固定端之间的基座上设有导轨，所述绝缘滑块的底部设有与导轨相配合的凹槽。

4.  根据权利要求3所述的基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置，其特征在于：所述绝缘滑轮为陶瓷滑轮。

5.  根据权利要求4所述的基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置，其特征在于：所述基座和绝缘滑块均采用长玻纤增强塑料。

基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置
技术领域
本发明涉及一种智能蒙皮驱动装置，具体讲是一种基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置，属于航空航天领域。
背景技术
变体飞行器作为一种多形态飞行器，具有大空域范围的良好飞行性能，获得了传统的固定翼飞行器所没有的特性，成为新一代航空航天飞行器突破性发展的基础。变体机翼作为变体飞行器的重要组成部分，通过飞行过程中翼型的变化实现气动性能的优化，从而达到提高飞行性能和多任务执行效率的目的。自上世纪90年代起世界上许多国家包括美国、加拿大、意大利、法国、韩国等均在该领域进行了大量的投入和研究。我国的北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学也进行了积极的探索并取得了一定的研究成果。小变形、单自由度变化的柔性结构蒙皮主要用于翼型横截面的改变或后缘的弯曲，如，加拿大魁北克大学采用碳纤维/凯夫拉尔增强的树脂基复合材料制作柔性蒙皮，通过对其弯曲性能的研究，获得翼型截面的变形效果。英国布里斯托大学研究了多稳态非对称复合材料蒙皮在不同平衡条件下的稳态形状，通过对温度激励实现从一个稳态到另一稳态的变化。南京航空航天大学采用半圆形波纹式树脂基复合材料制备的柔性结构蒙皮，利用波纹变形的累积效应实现弯曲的变形。由于该类蒙皮主要采用纤维增强树脂基复合材料，具有较大的刚度，在承受气动载荷方面具有一定的优势；但对驱动系统的功率要求较高，难以实现复杂形状（或多自由度）的变化且变形量小，这些都是变体机翼柔性蒙皮研究中的瓶颈。因此如何获得多自由度、大变形的柔性蒙皮，并满足飞行过程中翼型对蒙皮性能的要求具有重要的研究价值。
针对大变形的难题，一种基于智能材料的大变形柔性蒙皮在过去数年成为了研究热点。该类蒙皮材料可在温度或光等外部因素的激励下通过内部组织结构的转变而产生宏观形状变化。研究人员最近提出了另一种新型的大变形柔性结构蒙皮，由于该类柔性结构蒙皮需在驱动机构的驱动下才可获得大的形状变化，因而称作被动大变形柔性蒙皮。将这类蒙皮与驱动机构结合后即可获得如翼型横截面面积、前后缘弯度、翼展、后掠角等不同翼型的大尺度变化。
在研究大柔性蒙皮过程中，近年来部分学者采用了柔性胞状材料为支撑体，以弹性基材料为蒙皮表层的实现方案。采用的智能蒙皮胞状支撑结构具有零泊松比或负泊松比的特性，即可在纵向拉伸或压缩时，横向维度保持不变甚至伸长。这样的方案可以很好的满足变体机翼大变形的要求。但是与此同时，设计出合适的智能蒙皮胞状支撑结构的驱动机构也成为一大难题。
国内目前已经在变体机翼和智能蒙皮的研究工作中取得许多突破，但是在现有的文献报道中，国内鲜有将驱动机构和智能蒙皮结构结合的文献报道。在国外的文献报道中，关于智能蒙皮的研究多处于理论预研阶段。国外部分学者已经在大变形智能蒙皮中取得进展，并设计出驱动机构进行实验。期刊：Journal of Intelligent Materials Systems and Structures，2009年，20卷16期，页码：1969–1985，文献报道中可以看出，目前的驱动机构往往存在着机械结构庞大复杂，驱动机构对蒙皮增重较多却不能提高蒙皮结构的强度，驱动机构的能耗较高并且驱动条件复杂，只能实现单向驱动等种种不利之处。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种结构简单、能耗低、可以进行双向驱动且能增加蒙皮结构强度的基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置，包括基座、绝缘滑轮、绝缘滑块和SMA丝，所述绝缘滑轮至少为两个且为偶数，所述绝缘滑轮间隔安装基座的一侧，所述绝缘滑块与绝缘滑轮数量对应且平行设置在基座上；所述每个绝缘滑块均连接两根SMA丝，两根SMA丝的一端固定在基座与绝缘滑轮位置对应的另一侧上，其中任意一根SMA丝另一端与绝缘滑块直接连接，另一根SMA丝的另一端绕过绝缘滑轮与绝缘滑块连接。
本发明的有益效果在于：(1)、与其他的智能蒙皮驱动机构相比，该驱动装置结构简单紧凑、双线程驱动，可以为智能蒙皮结构提供稳定可靠的驱动力；(2)、利用形状记忆合金丝材料作为驱动元件，其驱动条件仅为低压直流电，驱动条件简单、安全，驱动响应快，驱动力大，驱动机构所需能耗较小，节能环保且无噪音、无污染；(3)、本发明中的SMA丝和基座也可提高蒙皮结构的整体强度。
作为改进，绝缘滑轮之间相对齐，这样可以使驱动控制更加精准，装置响应速度更快。
作为改进，绝缘滑轮与SMA丝固定端之间的基座上设有导轨，所述绝缘滑块的底部设有与导轨相配合的凹槽，可以使用绝缘滑轮的滑动更加稳定可靠。
作为改进，所述绝缘滑轮为陶瓷滑轮，可以保证滑轮的绝缘性，同时能使滑轮不被SMA丝的拉力破坏且滑轮的阻力相对较小。
作为改进，所述基座和绝缘滑块均采用长玻纤增强塑料，在保证强度的同时其密度较低，降低整体结构的质量。
本发明的驱动原理为：形状记忆合金的单程形状记忆效应，即对处于马氏体状态的合金施加外力，使其产生塑性变形，卸除外力后，则塑性变形被保留下。对形状记忆合金进行加热，则可回复到变形前的状态。此后，再对形状记忆合金进行冷却，则没有形状的改变。
附图说明
图1为本发明基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置整体结构图；
图2为安装智能蒙皮胞状结构示意图；
图3为滑块结构的结构图，图中(a)立体图、(b)正视图、(c)侧视图、(d)俯视图；
图4为底座结构的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1、4所示，本发明基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置，包括基座1、陶瓷滑轮3、滑块4、第一SMA丝7、第二SMA丝8、第三SMA丝9和第四SMA丝10。基座1采用采用长玻纤增强塑料加工，其强度高、密度较低，可降低整体装置的质量。基座1的两侧分别设有边堰2，其中右侧的边堰2上设有两个间隔的陶瓷滑轮安装孔，左侧的边堰2上设有两组SMA丝固定点，SMA丝固定点与陶瓷滑轮安装孔对齐，两者之间的基座体上设有导轨5。左侧的边堰2同时设有用于与智能蒙皮胞状结构连接螺孔。
陶瓷滑轮3为两个，通过螺丝安装在基座右侧的边堰2上。采用陶瓷滑轮，可以保证滑轮的绝缘性，同时能保证滑轮不被SMA丝的拉力破坏；同时，陶瓷滑轮3的阻力相对较小，可减少与SMA丝摩擦，保证SMA丝的性能稳定，延长其使用寿命，提高驱动响应速度和驱动效率。
如图1、3所示，滑块4为两块，分别设置在基座1上的两个导轨5上，两个滑块4相对齐。滑块4的底部设有与导轨5相配合的凹槽6，凹槽6嵌入导轨5中，保证滑块4可沿导轨5滑动；滑块4的顶部设有用于与智能蒙皮胞状结构连接螺孔11。螺孔11的两侧分别设有SMA丝连接槽。滑块4用长玻纤增强塑料加工，保证与SMA丝绝缘。
如图1所示，第一SMA丝7和第二SMA丝8的一端固定在基座1左侧的边堰2的SMA丝安装点上，第二SMA丝8的另一端直接滑块4上一侧的SMA丝连接槽，第一SMA丝7的另一端绕过基底右侧的边堰上的对应陶瓷滑轮3与滑块4上另一侧的SMA丝连接槽连接，并拉紧固定。第一SMA丝7和第二SMA丝8之间绝缘。
同理，第三SMA丝9和第四SMA丝10的一端固定在基座1左侧的边堰2的另一SMA丝安装点上，第四SMA丝10的另一端直接另一滑块4上一侧的SMA丝连接槽，第三SMA丝9的另一端绕过另一基底右侧的边堰上的对应陶瓷滑轮3与滑块4上另一侧的SMA丝连接槽连接，并拉紧固定。第三SMA丝9和第四SMA丝之间绝缘。
本实施例中因两个滑块4相对齐，第一SMA丝7和第三SMA丝9的长度一致为一对，分别连接稳压电源在正负极；第二SMA丝8和第四SMA丝10长度一致为另一对，分别连接稳压电源在正负极。这样可以使装置驱动控制更加精准，驱动响应速度更快。当然，作为本领域普通技术人员应该知道，两个滑块4相互错开也是可以的，此时各SMA丝的长度作相应的调整。
本实施例选用的SMA丝的直径为0.5毫米、合金为Ni含量为50.1at%的Ni-Ti合金。SMA丝（形状记忆合金丝）的预处理过程为：首先，对SMA丝进行性能稳定化处理，即将SMA丝在0℃冰水和100℃的沸水中反复浸泡50次以上，每次浸泡时间不少于2分钟，以稳定其性能；然后，对SMA丝进行退火处理，消除内部应力，提高塑性以利于弯曲；退火加热温度450℃，保温30分钟，随炉冷却；最后，对SMA丝进行拉伸应变处理，预拉伸应变量为5%。SMA丝具体长度可根据实际应用中需要产生的位移量进行调整，但预应变量须保持5%。
如图2所示，智能蒙皮胞状结构12采用铝材制作加工，其两端分别与塑料板相连，塑料板上均开有螺纹孔以保证与滑块4、基座1的装配。
本发明基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置装配过程：
1、将陶瓷滑轮2通过螺丝安装在基座1的右侧的边堰2；
2、将智能蒙皮胞状结构12一侧塑料板的通过螺丝与滑块4相连；
3、滑块4分别嵌入到导轨5，并能保证滑块4可以沿导轨5滑动；
4、将第二SMA丝8和第四SMA丝10的一端固定在基座左侧的边堰2，另一端直接与两个滑块4连接；
5、将第一SMA丝7和第三SMA丝9的一端固定在基座左侧的边堰2，另一端分别绕过两个陶瓷滑轮2与两个滑块4连接后拉紧固定；
6、将智能蒙皮胞状结构12另一侧塑料板的通过螺丝与基座1的左侧的边堰2相连。
本发明基于形状记忆效应的智能蒙皮驱动装置的驱动过程：
将稳压电源的正负极分别与第一对SMA丝（即第二SMA丝8和第四SMA丝10）的两端连接，接通电源，逐渐增大电流，则滑块4开始沿轨道移动，继续增大电流，直至滑块4停止运动；
停止对第一对丝通电，将稳压电源的正负极分别与另一对SMA丝（即第一SMA丝7和第三SMA丝9）的两端连接，接通电源，逐渐增大电流，则滑块4开始向相反方向运动，直至运动停止；
重复以上过程，则滑块4可以沿轨道往复运动。
上述驱动过程中稳压电源的电压调节范围为0～10V，电流的调节范围0～5A。
本实施例中以两个滑块4驱动智能蒙皮胞状结构12对本发明进行了说明，需要强调的是，根据实际需要也可以四个滑块或更多进行驱动，但滑块4数量应为偶数，其连接结构参照本例，在此不展开描述。但在选择两个滑块4时，装置的整体驱动响应快、阻力较小，装置本身结构比较简单，自重较轻。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。