一種SMA驅動的螺旋式熱變剛度主動控制機構的制作方法

本發明涉及航空航天技術領域，具體涉及一種sma驅動的螺旋式熱變剛度主動控制機構。

背景技術：

飛行器在飛行過程中會產生大量熱量，從而影響飛行器的蒸汽剛度，傳統的控制方法大多為在飛行器外表面層合隔熱材料與耐熱材料來降低飛行過程中熱梯度的影響，或利用在飛行器外包殼體的內外表面布置加強筋與加強肋的方式來加強飛行器外包結構的整體剛度。此類控制方式都為被動控制，無法根據飛行器外部工作環境的變化進行調整從而使飛行器結構剛度達到最佳。隨著對智能材料研究的不斷深入，開始使用壓電材料作為傳感器與作動器被層合在飛行器外薄殼體的內外表面上，從而達到主動控制的效果。但是普通的智能控制方法如采用壓電材料進行控制，雖具有較快的相應速度，但工作過程中產生的控制力較小，對于自身剛度較大的材料的剛度變化控制效果較微弱，因此在實際應用中受限較大。

形狀記憶合金(shapememoryalloy，sma)是一種具有形狀記憶效應的新型智能材料，其形狀記憶效應的產生是合金內部晶相隨外界環境變化的結果，晶相的變化主要為馬氏體與奧氏體兩者的轉化過程，馬氏體占比隨溫度上升而減少，隨溫度下降而增加，奧氏體占比則相反。兩相晶體的變化使得合金在低溫時的形變在加熱到相變溫度后回復到初始形態，當對此種回復過程進行約束限制時，合金對外便可產生極大的力。可使用此回復力經過機構的傳導，來對飛行器的熱變剛度進行主動控制。

技術實現要素：

本發明為了解決現有飛行器外薄殼的熱變剛度主動控制機構在工作過程中產生的控制力較小，對于自身剛度較大的材料的剛度變化控制效果較微弱，在實際應用中受限較大的問題，進而提出一種sma驅動的螺旋式熱變剛度主動控制機構。

本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：

一種sma驅動的螺旋式熱變剛度主動控制機構包括多個四分之一螺旋膨脹環、多個sma驅動圓管和多個預緊機構，多個四分之一螺旋膨脹環呈螺旋狀設置在圓柱薄殼的內側壁上，首個四分之一螺旋膨脹環的始端和末個四分之一螺旋膨脹環的末端通過預緊機構與圓柱薄殼固接，相鄰兩個四分之一螺旋膨脹環通過sma驅動圓管或預緊機構連接，多個sma驅動圓管和多個預緊機構交替設置。

本發明與現有技術相比包含的有益效果是：

1、本發明用于對高速飛行器在工作過程中由于氣動熱效應產生的結構整體顫振與剛度變化進行主動控制。

2、現代高速飛行器如火箭等多采用圓柱薄殼作為其外包結構，因此針對圓柱薄殼進行了剛度主動控制作動器設計。

3、由于整個作動器為螺旋型，使得壓應力也沿圓柱薄殼內壁呈螺旋型分布，因此可將分布方向分解為沿圓柱薄殼軸向與周向兩個方向，以實現對圓柱薄殼的軸向剛度與周向剛度同時進行主動控制。

4、本發明通過控制sma驅動圓管的加熱電壓從而控制sma驅動圓管的馬氏體占比，從而控制作動器所產生的作動力大小，其動作力的大小滿足了飛行器的工作需求，達到對圓柱薄殼剛度的主動控制。

5、本發明對于自身剛度較大的材料的剛度變化控制效果顯著，使得不同材料的飛行器外殼體的剛度變化控制在5％以內，有效保證了剛度需求。

附圖說明

圖1是本發明應用在圓柱薄殼8中的整體結構示意圖；

圖2是本發明的整體結構示意圖；

圖3是本發明整體結構的俯視圖；

圖4是本發明中sma驅動圓管6壓縮前后的長度對比圖，其中實線部分表示sma驅動圓管6的初始狀態，其初始長度為h；虛線部分表示sma驅動圓管6的壓縮狀態，其壓縮后長度為h；

圖5是本發明中四分之一螺旋膨脹環5的受力原理圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式所述一種sma驅動的螺旋式熱變剛度主動控制機構包括多個四分之一螺旋膨脹環5、多個sma驅動圓管6和多個預緊機構7，多個四分之一螺旋膨脹環5呈螺旋狀設置在圓柱薄殼8的內側壁上，首個四分之一螺旋膨脹環5的始端和末個四分之一螺旋膨脹環5的末端通過預緊機構7與圓柱薄殼8固接，相鄰兩個四分之一螺旋膨脹環5通過sma驅動圓管6或預緊機構7連接，多個sma驅動圓管6和多個預緊機構7交替設置。

本實施方式涉及外表面為圓柱薄壁材料飛行器的熱變剛度控制機構，其中sma驅動圓管6為作動器驅動部件，四分之一螺旋膨脹環5為作動器執行部件。

剛度主動控制作動器核心工作原理為：低溫條件下壓縮sma驅動圓管6，同時對其加熱時的回復進行限制，將限制回復產生的極大驅動力經四分之一螺旋膨脹環5傳遞到圓柱薄殼8的內壁上，調節加熱電壓，從而對圓柱薄殼8的軸向與周向剛度同時進行主動控制。

由于sma驅動圓管6具有在常溫馬氏體狀體下沿其軸向被壓縮至適當長度，加熱后可回復到初始長度的特點。將主動控制機構安裝在圓柱薄殼8的內側壁上，擰緊各預緊機構7，將主動控制機構有效固定，調節好sma驅動圓管6的合適電壓后，sma驅動圓管6溫度升高，內部產生晶體相變從而回復到初始長度，由于回復受到與其兩端相連接的四分之一螺旋膨脹環5的限制，對四分之一螺旋膨脹環5端部產生沿其軸向方向極大的作用力f，使四分之一螺旋膨脹環5產生沿圓柱薄殼8徑向的位移，由于圓柱薄殼8的約束，使得四分之一螺旋膨脹環5對與之相貼合的圓柱薄殼8內側壁產生壓應力q。

由于整個作動器即主動控制機構的整體形狀為螺旋形，使得壓應力q也沿圓柱薄殼8內壁呈螺旋型分布，因此可將分布方向分解為沿圓柱薄殼8軸向與周向兩個方向。控制sma驅動圓管6的加熱電壓從而控制sma驅動圓管6的馬氏體占比，從而控制作動器所產生的作動力大小，達到對圓柱薄殼8剛度的主動控制，控制效果反映為各階模態頻率的變化，通常為增強。

本實施方式中sma驅動圓管6和預緊機構7交替設置，每個四分之一螺旋膨脹環5一端通過預緊機構7固定，另一端與sma驅動圓管6連接，使得每個四分之一螺旋膨脹環5受到的sma驅動圓管6施加的作用力相同。

具體實施方式二：結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述sma驅動圓管6的外表面設有聚銑亞胺加熱膜。其它組成和連接方式與具體實施方式一相同。

本實施方式中在sma驅動圓管6的外表面包裹聚銑亞胺加熱膜，使其在工作過程中能夠均勻受熱。工作時為sma驅動圓管6外表面包裹的加熱膜提供合適的電壓。

具體實施方式三：結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述sma驅動圓管6的兩個端面分別與四分之一螺旋膨脹環5的端面固接。其它組成和連接方式與具體實施方式一或二相同。

如此設計使得sma驅動圓管6在加熱時，其回復力直接由端部作用在四分之一螺旋膨脹環5的端面上。

具體實施方式四：結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述四分之一螺旋膨脹環5與sma驅動圓管6端面相配合的端面上設有凹槽5-1，sma驅動圓管6的端面插裝在凹槽5-1內。其它組成和連接方式與具體實施方式三相同。

如此設計以保證四分之一螺旋膨脹環5與sma驅動圓管6之間的充分有效接觸，使sma驅動圓管6的作用力直接完全在四分之一螺旋膨脹環5的端面上。

具體實施方式五：結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述圓柱薄殼8的內側壁上設有螺旋槽，多個四分之一螺旋膨脹環5設置在螺旋槽內。其它組成和連接方式與具體實施方式四相同。

如此設計使四分之一螺旋膨脹環5設置在螺旋槽內，防止四分之一螺旋膨脹環5發生軸向竄動。

具體實施方式六：結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述四分之一螺旋膨脹環5的內側壁的弧度大于外側壁的弧度。其它組成和連接方式與具體實施方式四或五相同。

如此設計使得四分之一螺旋膨脹環5兩端的厚度大于中部的厚度，增強四分之一螺旋膨脹環5的整體強度。

具體實施方式七：結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述預緊機構7包括外壁墊片1、楔形塊2、螺母3和螺柱4，楔形塊2設置在四分之一螺旋膨脹環5的端部，楔形塊2的側端面與四分之一螺旋膨脹環5的端面配合，楔形塊2的小端面與圓柱薄殼8的內側壁配合，外壁墊片1設置在圓柱薄殼8的外側，螺柱4依次穿過楔形塊2、圓柱薄殼8和外壁墊片1，螺柱4的末端旋裝有螺母3。其它組成和連接方式與具體實施方式六相同。

如此設計在使用時擰緊各預緊機構7中的螺母3，帶動螺栓4沿圓柱徑向向外移動，從而使楔形塊2隨螺栓4一同運動。與楔形塊2兩側端面即斜面貼合的兩個四分之一螺旋膨脹環5端面，由于楔形塊2的運動而產生沿圓柱薄殼8內壁相背離方向的位移，對應另外兩個端面則產生相向的位移，從而夾緊兩端面間的sma驅動圓管6。

具體實施方式八：結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述四分之一螺旋膨脹環5與楔形塊2側端面相配合的端面為斜面，斜面的斜度和與楔形塊2相配合的側端面的斜度相同。其它組成和連接方式與具體實施方式七相同。

如此設計使得四分之一螺旋膨脹環5的端面與楔形塊2的側端面可以實現完全貼合，保證四分之一螺旋膨脹環5的運動軌跡。

具體實施方式九：結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述外壁墊片1的弧度與圓柱薄殼8的弧度相同。其它組成和連接方式與具體實施方式七或八相同。

如此設計使外壁墊片1與圓柱薄殼8充分接觸，以保證楔形塊2與四分之一螺旋膨脹環5之間通過螺柱4和螺母3緊密配合，楔形塊2與圓柱薄殼8之間通過螺柱4和螺母3緊密固接。

工作原理

低溫條件下壓縮sma驅動圓管6，同時對其加熱時的回復進行限制，將限制回復產生的極大驅動力經四分之一螺旋膨脹環5傳遞到圓柱薄殼8的內壁上，調節加熱電壓，從而對圓柱薄殼8的軸向與周向剛度同時進行主動控制。

由于sma驅動圓管6具有在常溫馬氏體狀體下沿其軸向被壓縮至適當長度，加熱后可回復到初始長度的特點。將主動控制機構安裝在圓柱薄殼8的內側壁上，擰緊各預緊機構7，將主動控制機構有效固定，調節好sma驅動圓管6的合適電壓后，sma驅動圓管6溫度升高，內部產生晶體相變從而回復到初始長度，由于回復受到與其兩端相連接的四分之一螺旋膨脹環5的限制，對四分之一螺旋膨脹環5端部產生沿其軸向方向極大的作用力f，使四分之一螺旋膨脹環5產生沿圓柱薄殼8徑向的位移，由于圓柱薄殼8的約束，使得四分之一螺旋膨脹環5對與之相貼合的圓柱薄殼8內側壁產生壓應力q。

由于整個作動器即主動控制機構的整體形狀為螺旋形，使得壓應力q也沿圓柱薄殼8內壁呈螺旋型分布，因此可將分布方向分解為沿圓柱薄殼8軸向與周向兩個方向。控制sma驅動圓管6的加熱電壓從而控制sma驅動圓管6的馬氏體占比，從而控制作動器所產生的作動力大小，達到對圓柱薄殼8剛度的主動控制，控制效果反映為各階模態頻率的變化，通常為增強。