一種基于形狀記憶合金的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種基于形狀記憶合金的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]可展結(jié)構(gòu)是一種具有完全折疊、完全展開兩種狀態(tài)的新型結(jié)構(gòu)形式，適用于航空航天、建筑結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)在折疊狀態(tài)下體積較小，便于存儲(chǔ)運(yùn)輸。在一定驅(qū)動(dòng)條件下，結(jié)構(gòu)展開為占據(jù)較大體積的展開狀態(tài)，滿足工作要求。
[0003]張拉整體結(jié)構(gòu)是由張力索和壓桿構(gòu)成的預(yù)應(yīng)力自平衡體系，結(jié)構(gòu)剛度由預(yù)應(yīng)力提供。該結(jié)構(gòu)是可展結(jié)構(gòu)的一種理想結(jié)構(gòu)形式，具有重量輕、收納率高等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿Υ?。在現(xiàn)有的可展張拉整體結(jié)構(gòu)中，通常采用電機(jī)、液壓裝置或可折疊節(jié)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)的展開驅(qū)動(dòng)裝置，尚無利用形狀記憶合金作為展開驅(qū)動(dòng)裝置的可展張拉整體結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是通過在拉索中引入形狀記憶合金，實(shí)現(xiàn)新的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)形式。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種嵌入形狀記憶合金的柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)，拉索的部分或全部長度由形狀記憶合金元件代替，構(gòu)成若干嵌入形狀記憶合金的η (η多3)棱柱張拉整體基本模塊，m(m ^ I)個(gè)基本模塊進(jìn)行豎向疊加組合，構(gòu)成m層η棱柱張拉整體可展結(jié)構(gòu)。
[0006]進(jìn)一步地，在折疊狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)的所有拉索，包括嵌入形狀記憶合金的拉索和未嵌入形狀記憶合金的拉索，都處于松弛狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的所有壓桿束成一捆或“倒塌”至同一平面，形狀記憶合金處于馬氏體態(tài)。
[0007]進(jìn)一步地，當(dāng)形狀記憶合金的溫度上升達(dá)到相變閾值時(shí)，形狀記憶合金由馬氏體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體態(tài)，形狀記憶合金的長度縮短。在形狀記憶合金發(fā)生相變和長度縮短的過程中，張拉所連接的拉索，進(jìn)而整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生位移。
[0008]進(jìn)一步地，形狀記憶合金相變結(jié)束，結(jié)構(gòu)達(dá)到完全展開的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在自平衡的預(yù)應(yīng)力。
[0009]進(jìn)一步地，展開后的張拉整體結(jié)構(gòu)中的壓桿、拉索、形狀記憶合金元件共同工作，承受設(shè)計(jì)荷載。
[0010]本發(fā)明的有益效果是，利用形狀記憶合金獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)，控制可展張拉整體結(jié)構(gòu)的展開過程，不需引入額外的作動(dòng)裝置，具有體積小、高精度、高可靠性的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明中嵌入形狀記憶合金的主動(dòng)索的示例圖。
[0012]圖2為本發(fā)明中η = 3時(shí)單層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的展開狀態(tài)示例圖。
[0013]圖3為本發(fā)明中η = 4時(shí)單層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的展開狀態(tài)示例圖。
[0014]圖4為本發(fā)明中η = 3時(shí)可展柱狀張拉整體端模塊示例圖。
[0015]圖5為本發(fā)明中η = 3時(shí)雙層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的展開狀態(tài)示例圖。
[0016]圖6為本發(fā)明中η = 4時(shí)可展柱狀張拉整體端模塊示例圖。
[0017]圖7為本發(fā)明中η = 4時(shí)雙層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的展開狀態(tài)示例圖。
[0018]圖8為本發(fā)明中η = 3時(shí)可展柱狀張拉整體中間模塊示例圖。
[0019]圖9為本發(fā)明中η = 3時(shí)三層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的展開狀態(tài)示例圖。
[0020]圖10為本發(fā)明中η = 4時(shí)可展柱狀張拉整體中間模塊示例圖。
[0021]圖11為本發(fā)明中η = 4時(shí)三層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的展開狀態(tài)示例圖。
[0022]圖12為本發(fā)明中η = 3時(shí)單層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的折疊狀態(tài)示例圖。
[0023]圖13為本發(fā)明中η = 4時(shí)單層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的折疊狀態(tài)示例圖。
[0024]圖14為本發(fā)明中η= 3時(shí)非單層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的折疊狀態(tài)示例圖。
[0025]圖15為本發(fā)明中η= 4時(shí)非單層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的折疊狀態(tài)示例圖。
[0026]圖中，壓桿1，未嵌入形狀記憶合金的普通拉索2，嵌入形狀記憶合金的主動(dòng)拉索3，普通索段31，形狀記憶合金32。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0028]形狀記憶合金具有低溫馬氏體態(tài)和高溫奧氏體態(tài)兩種相態(tài)，當(dāng)溫度變化時(shí)，材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生馬氏體和奧氏體的相互轉(zhuǎn)換，并在宏觀上表現(xiàn)出長度變化。通過訓(xùn)練，可以使得形狀記憶合金馬氏體態(tài)長度大于奧氏體態(tài)長度，并滿足一定變形量要求。在拉索中嵌入形狀記憶合金作為主動(dòng)索，結(jié)構(gòu)在折疊和展開狀態(tài)下，形狀記憶合金分別處于馬氏體態(tài)和奧氏體態(tài)，拉索分別處于松弛狀態(tài)和張緊狀態(tài)，主動(dòng)索在折疊狀態(tài)下的總長度大于展開狀態(tài)下的總長度。當(dāng)形狀記憶合金的溫度上升到相變閾值時(shí)，形狀記憶合金發(fā)生由馬氏體態(tài)到奧氏體態(tài)的轉(zhuǎn)變，形狀記憶合金長度縮短，主動(dòng)索總長度縮短，從而張緊拉索，結(jié)構(gòu)從折疊狀態(tài)轉(zhuǎn)變到展開狀態(tài)。
[0029]根據(jù)具體情況，形狀記憶合金可嵌入結(jié)構(gòu)中的部分或全部拉索；形狀記憶合金元件可代替主動(dòng)拉索的部分或全部長度；形狀記憶合金元件可采用滿足長度收縮量與驅(qū)動(dòng)力要求的形狀記憶合金絲或形狀記憶合金彈簧。圖1所示為采用形狀記憶合金彈簧代替部分長度的主動(dòng)拉索的典型情況。
[0030]當(dāng)為單層體系時(shí)(m = I)，整個(gè)結(jié)構(gòu)由單個(gè)獨(dú)立模塊組成，單個(gè)獨(dú)立模塊包括2n個(gè)節(jié)點(diǎn)、η根壓桿；端部構(gòu)成η邊形的索記為環(huán)索，共計(jì)2η根；其余拉索記為斜索，共計(jì)η根。如圖2所示為η = 3時(shí)單層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)展開時(shí)的姿態(tài)示例，環(huán)索嵌入形狀記憶合金作為主動(dòng)索，其余拉索為普通拉索；如圖3所示為η = 4時(shí)單層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)展開時(shí)的姿態(tài)示例，環(huán)索嵌入形狀記憶合金作為主動(dòng)索，其余拉索為普通拉索。
[0031]當(dāng)為雙層體系時(shí)(m= 2)，整個(gè)結(jié)構(gòu)由2個(gè)端模塊組成，每個(gè)端模塊包括3n個(gè)節(jié)點(diǎn)、η根壓桿；端部構(gòu)成η邊形的索記為環(huán)索，共計(jì)η根；端部構(gòu)成2η邊形的索記為鞍索，共計(jì)2η根；連接上下多邊形的拉索，若拉索兩端節(jié)點(diǎn)屬于同層，如Blcl等，拉索記為斜索，共計(jì)η根；連接上下多邊形的拉索，若拉索兩端節(jié)點(diǎn)屬于不同層，如BIΑ2等，拉索記為附加索，共計(jì)η根。如圖4所示為η = 3時(shí)單個(gè)端模塊的組成情況，環(huán)索、鞍索嵌入形狀記憶合金作為主動(dòng)索，斜索、附加索為普通拉索；如圖5所示為η = 3時(shí)雙層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)展開時(shí)的姿態(tài)。如圖6所示為η = 4時(shí)單個(gè)端模塊的組成情況，環(huán)索、鞍索、附加索嵌入形狀記憶合金作為主動(dòng)索，斜索為普通拉索；如圖7所示為η = 4時(shí)雙層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)展開時(shí)的姿態(tài)。
[0032]當(dāng)為多層體系時(shí)(m多3)，整個(gè)結(jié)構(gòu)由2個(gè)端模塊和m_2個(gè)中間模塊組成，每個(gè)端模塊的組成同m = 2時(shí)，每個(gè)中間模塊包括4n個(gè)節(jié)點(diǎn)、η根壓桿；端部構(gòu)成2η邊形的索記為鞍索，共計(jì)4η根；連接上下多邊形的拉索，若拉索兩端節(jié)點(diǎn)屬于同層，如B2a2等，拉索記為斜索，共計(jì)η根；連接上下多邊形的拉索，若拉索兩端節(jié)點(diǎn)屬于不同層，如B2C3等，拉索記為附加索，共計(jì)2η根。如圖8所示為η = 3時(shí)單個(gè)中間模塊的組成情況，鞍索嵌入形狀記憶合金作為主動(dòng)索，斜索、附加索為普通拉索；如圖9所示為η = 3時(shí)三層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)展開時(shí)的姿態(tài)。如圖10所示為η = 4時(shí)單個(gè)中間模塊的組成情況，鞍索、附加索嵌入形狀記憶合金作為主動(dòng)索，斜索為普通拉索；如圖11所示為η = 4時(shí)三層可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)展開時(shí)的姿態(tài)。
[0033]可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的折疊狀態(tài)為可收納的狀態(tài)，占據(jù)體積較小，便于進(jìn)行儲(chǔ)存運(yùn)輸。圖12和圖13分別為單層三棱柱可展張拉整體結(jié)構(gòu)和單層四棱柱可展張拉整體結(jié)構(gòu)的折疊狀態(tài)示例，結(jié)構(gòu)環(huán)索嵌入形狀記憶合金作為主動(dòng)索，在折疊狀態(tài)下，拉索處于松弛狀態(tài)，壓桿折疊至同一平面。對(duì)于m多2的非單層體系，具有類似的折疊姿態(tài)，如圖14和圖15分別為非單層可展三棱柱張拉整體結(jié)構(gòu)和非單層可展四棱柱張拉整體結(jié)構(gòu)折疊狀態(tài)示例，結(jié)構(gòu)環(huán)索、鞍索嵌入形狀記憶合金作為主動(dòng)索，四棱柱張拉整體的附加索嵌入形狀記憶合金作為主動(dòng)索，在折疊狀態(tài)下，拉索處于松弛狀態(tài)，壓桿折疊至同一平面。
[0034]設(shè)計(jì)基于形狀記憶合金的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)時(shí)，保持展開前后壓桿長度不變，對(duì)具體模型進(jìn)行折疊狀態(tài)設(shè)計(jì)，由折疊方案的幾何分析得到拉索折疊狀態(tài)長度，與拉索展開狀態(tài)長度比較得到拉索變形量，進(jìn)行形狀記憶合金元件布置和參數(shù)選擇，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以滿足結(jié)構(gòu)折疊、展開狀態(tài)下的長度要求，從而得到一系列構(gòu)成柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)的基本模塊。將基本模塊進(jìn)行豎向疊加組合，得到滿足預(yù)設(shè)幾何構(gòu)型要求的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于形狀記憶合金的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)是由若干嵌入形狀記憶合金的基本模塊通過豎向疊加組合而成的預(yù)應(yīng)力自平衡體系，所述基本模塊由拉索和壓桿構(gòu)成，所述拉索由普通索段和形狀記憶合金相連組成，所述形狀記憶合金的長度為0-1L，L為拉索的長度；在結(jié)構(gòu)處于折疊和展開狀態(tài)時(shí)，形狀記憶合金分別處于馬氏體態(tài)和奧氏體態(tài)。2.如權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)，其特征在于，結(jié)構(gòu)的展開狀態(tài)為具有穩(wěn)定的自平衡預(yù)應(yīng)力的柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的折疊狀態(tài)為松散的、可收納的狀態(tài)。3.如權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)，其特征在于，以形狀記憶合金為展開作動(dòng)器，展開過程通過形狀記憶合金發(fā)生馬氏體相變提供驅(qū)動(dòng)力。4.如權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述形狀記憶合金為形狀記憶合金絲或形狀記憶合金彈簧等。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于形狀記憶合金的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)，目前尚無采用形狀記憶合金的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中的可展柱狀張拉整體結(jié)構(gòu)在拉索中嵌入形狀記憶合金，結(jié)構(gòu)在折疊狀態(tài)時(shí)，形狀記憶合金處于馬氏體態(tài)，拉索松弛。當(dāng)溫度上升到相變閾值時(shí)，形狀記憶合金發(fā)生馬氏體相變，產(chǎn)生回縮，從而張拉整體結(jié)構(gòu)的拉索，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)逐步展開，并最終達(dá)到穩(wěn)定的展開狀態(tài)。
【IPC分類】F03G7/06
【公開號(hào)】CN105221371
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510644211
【發(fā)明人】許賢, 蔡暉映, 鄭君華, 羅堯治
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年9月30日