一种SMA驱动的螺旋式热变刚度主动控制机构的制作方法

本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种sma驱动的螺旋式热变刚度主动控制机构。

背景技术：

飞行器在飞行过程中会产生大量热量，从而影响飞行器的蒸汽刚度，传统的控制方法大多为在飞行器外表面层合隔热材料与耐热材料来降低飞行过程中热梯度的影响，或利用在飞行器外包壳体的内外表面布置加强筋与加强肋的方式来加强飞行器外包结构的整体刚度。此类控制方式都为被动控制，无法根据飞行器外部工作环境的变化进行调整从而使飞行器结构刚度达到最佳。随着对智能材料研究的不断深入，开始使用压电材料作为传感器与作动器被层合在飞行器外薄壳体的内外表面上，从而达到主动控制的效果。但是普通的智能控制方法如采用压电材料进行控制，虽具有较快的相应速度，但工作过程中产生的控制力较小，对于自身刚度较大的材料的刚度变化控制效果较微弱，因此在实际应用中受限较大。

形状记忆合金(shapememoryalloy，sma)是一种具有形状记忆效应的新型智能材料，其形状记忆效应的产生是合金内部晶相随外界环境变化的结果，晶相的变化主要为马氏体与奥氏体两者的转化过程，马氏体占比随温度上升而减少，随温度下降而增加，奥氏体占比则相反。两相晶体的变化使得合金在低温时的形变在加热到相变温度后回复到初始形态，当对此种回复过程进行约束限制时，合金对外便可产生极大的力。可使用此回复力经过机构的传导，来对飞行器的热变刚度进行主动控制。

技术实现要素：

本发明为了解决现有飞行器外薄壳的热变刚度主动控制机构在工作过程中产生的控制力较小，对于自身刚度较大的材料的刚度变化控制效果较微弱，在实际应用中受限较大的问题，进而提出一种sma驱动的螺旋式热变刚度主动控制机构。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种sma驱动的螺旋式热变刚度主动控制机构包括多个四分之一螺旋膨胀环、多个sma驱动圆管和多个预紧机构，多个四分之一螺旋膨胀环呈螺旋状设置在圆柱薄壳的内侧壁上，首个四分之一螺旋膨胀环的始端和末个四分之一螺旋膨胀环的末端通过预紧机构与圆柱薄壳固接，相邻两个四分之一螺旋膨胀环通过sma驱动圆管或预紧机构连接，多个sma驱动圆管和多个预紧机构交替设置。

本发明与现有技术相比包含的有益效果是：

1、本发明用于对高速飞行器在工作过程中由于气动热效应产生的结构整体颤振与刚度变化进行主动控制。

2、现代高速飞行器如火箭等多采用圆柱薄壳作为其外包结构，因此针对圆柱薄壳进行了刚度主动控制作动器设计。

3、由于整个作动器为螺旋型，使得压应力也沿圆柱薄壳内壁呈螺旋型分布，因此可将分布方向分解为沿圆柱薄壳轴向与周向两个方向，以实现对圆柱薄壳的轴向刚度与周向刚度同时进行主动控制。

4、本发明通过控制sma驱动圆管的加热电压从而控制sma驱动圆管的马氏体占比，从而控制作动器所产生的作动力大小，其动作力的大小满足了飞行器的工作需求，达到对圆柱薄壳刚度的主动控制。

5、本发明对于自身刚度较大的材料的刚度变化控制效果显著，使得不同材料的飞行器外壳体的刚度变化控制在5％以内，有效保证了刚度需求。

附图说明

图1是本发明应用在圆柱薄壳8中的整体结构示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明整体结构的俯视图；

图4是本发明中sma驱动圆管6压缩前后的长度对比图，其中实线部分表示sma驱动圆管6的初始状态，其初始长度为h；虚线部分表示sma驱动圆管6的压缩状态，其压缩后长度为h；

图5是本发明中四分之一螺旋膨胀环5的受力原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种sma驱动的螺旋式热变刚度主动控制机构包括多个四分之一螺旋膨胀环5、多个sma驱动圆管6和多个预紧机构7，多个四分之一螺旋膨胀环5呈螺旋状设置在圆柱薄壳8的内侧壁上，首个四分之一螺旋膨胀环5的始端和末个四分之一螺旋膨胀环5的末端通过预紧机构7与圆柱薄壳8固接，相邻两个四分之一螺旋膨胀环5通过sma驱动圆管6或预紧机构7连接，多个sma驱动圆管6和多个预紧机构7交替设置。

本实施方式涉及外表面为圆柱薄壁材料飞行器的热变刚度控制机构，其中sma驱动圆管6为作动器驱动部件，四分之一螺旋膨胀环5为作动器执行部件。

刚度主动控制作动器核心工作原理为：低温条件下压缩sma驱动圆管6，同时对其加热时的回复进行限制，将限制回复产生的极大驱动力经四分之一螺旋膨胀环5传递到圆柱薄壳8的内壁上，调节加热电压，从而对圆柱薄壳8的轴向与周向刚度同时进行主动控制。

由于sma驱动圆管6具有在常温马氏体状体下沿其轴向被压缩至适当长度，加热后可回复到初始长度的特点。将主动控制机构安装在圆柱薄壳8的内侧壁上，拧紧各预紧机构7，将主动控制机构有效固定，调节好sma驱动圆管6的合适电压后，sma驱动圆管6温度升高，内部产生晶体相变从而回复到初始长度，由于回复受到与其两端相连接的四分之一螺旋膨胀环5的限制，对四分之一螺旋膨胀环5端部产生沿其轴向方向极大的作用力f，使四分之一螺旋膨胀环5产生沿圆柱薄壳8径向的位移，由于圆柱薄壳8的约束，使得四分之一螺旋膨胀环5对与之相贴合的圆柱薄壳8内侧壁产生压应力q。

由于整个作动器即主动控制机构的整体形状为螺旋形，使得压应力q也沿圆柱薄壳8内壁呈螺旋型分布，因此可将分布方向分解为沿圆柱薄壳8轴向与周向两个方向。控制sma驱动圆管6的加热电压从而控制sma驱动圆管6的马氏体占比，从而控制作动器所产生的作动力大小，达到对圆柱薄壳8刚度的主动控制，控制效果反映为各阶模态频率的变化，通常为增强。

本实施方式中sma驱动圆管6和预紧机构7交替设置，每个四分之一螺旋膨胀环5一端通过预紧机构7固定，另一端与sma驱动圆管6连接，使得每个四分之一螺旋膨胀环5受到的sma驱动圆管6施加的作用力相同。

具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述sma驱动圆管6的外表面设有聚铣亚胺加热膜。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中在sma驱动圆管6的外表面包裹聚铣亚胺加热膜，使其在工作过程中能够均匀受热。工作时为sma驱动圆管6外表面包裹的加热膜提供合适的电压。

具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述sma驱动圆管6的两个端面分别与四分之一螺旋膨胀环5的端面固接。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。

如此设计使得sma驱动圆管6在加热时，其回复力直接由端部作用在四分之一螺旋膨胀环5的端面上。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述四分之一螺旋膨胀环5与sma驱动圆管6端面相配合的端面上设有凹槽5-1，sma驱动圆管6的端面插装在凹槽5-1内。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

如此设计以保证四分之一螺旋膨胀环5与sma驱动圆管6之间的充分有效接触，使sma驱动圆管6的作用力直接完全在四分之一螺旋膨胀环5的端面上。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述圆柱薄壳8的内侧壁上设有螺旋槽，多个四分之一螺旋膨胀环5设置在螺旋槽内。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

如此设计使四分之一螺旋膨胀环5设置在螺旋槽内，防止四分之一螺旋膨胀环5发生轴向窜动。

具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述四分之一螺旋膨胀环5的内侧壁的弧度大于外侧壁的弧度。其它组成和连接方式与具体实施方式四或五相同。

如此设计使得四分之一螺旋膨胀环5两端的厚度大于中部的厚度，增强四分之一螺旋膨胀环5的整体强度。

具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述预紧机构7包括外壁垫片1、楔形块2、螺母3和螺柱4，楔形块2设置在四分之一螺旋膨胀环5的端部，楔形块2的侧端面与四分之一螺旋膨胀环5的端面配合，楔形块2的小端面与圆柱薄壳8的内侧壁配合，外壁垫片1设置在圆柱薄壳8的外侧，螺柱4依次穿过楔形块2、圆柱薄壳8和外壁垫片1，螺柱4的末端旋装有螺母3。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。

如此设计在使用时拧紧各预紧机构7中的螺母3，带动螺栓4沿圆柱径向向外移动，从而使楔形块2随螺栓4一同运动。与楔形块2两侧端面即斜面贴合的两个四分之一螺旋膨胀环5端面，由于楔形块2的运动而产生沿圆柱薄壳8内壁相背离方向的位移，对应另外两个端面则产生相向的位移，从而夹紧两端面间的sma驱动圆管6。

具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述四分之一螺旋膨胀环5与楔形块2侧端面相配合的端面为斜面，斜面的斜度和与楔形块2相配合的侧端面的斜度相同。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。

如此设计使得四分之一螺旋膨胀环5的端面与楔形块2的侧端面可以实现完全贴合，保证四分之一螺旋膨胀环5的运动轨迹。

具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述外壁垫片1的弧度与圆柱薄壳8的弧度相同。其它组成和连接方式与具体实施方式七或八相同。

如此设计使外壁垫片1与圆柱薄壳8充分接触，以保证楔形块2与四分之一螺旋膨胀环5之间通过螺柱4和螺母3紧密配合，楔形块2与圆柱薄壳8之间通过螺柱4和螺母3紧密固接。

工作原理

低温条件下压缩sma驱动圆管6，同时对其加热时的回复进行限制，将限制回复产生的极大驱动力经四分之一螺旋膨胀环5传递到圆柱薄壳8的内壁上，调节加热电压，从而对圆柱薄壳8的轴向与周向刚度同时进行主动控制。

由于sma驱动圆管6具有在常温马氏体状体下沿其轴向被压缩至适当长度，加热后可回复到初始长度的特点。将主动控制机构安装在圆柱薄壳8的内侧壁上，拧紧各预紧机构7，将主动控制机构有效固定，调节好sma驱动圆管6的合适电压后，sma驱动圆管6温度升高，内部产生晶体相变从而回复到初始长度，由于回复受到与其两端相连接的四分之一螺旋膨胀环5的限制，对四分之一螺旋膨胀环5端部产生沿其轴向方向极大的作用力f，使四分之一螺旋膨胀环5产生沿圆柱薄壳8径向的位移，由于圆柱薄壳8的约束，使得四分之一螺旋膨胀环5对与之相贴合的圆柱薄壳8内侧壁产生压应力q。

由于整个作动器即主动控制机构的整体形状为螺旋形，使得压应力q也沿圆柱薄壳8内壁呈螺旋型分布，因此可将分布方向分解为沿圆柱薄壳8轴向与周向两个方向。控制sma驱动圆管6的加热电压从而控制sma驱动圆管6的马氏体占比，从而控制作动器所产生的作动力大小，达到对圆柱薄壳8刚度的主动控制，控制效果反映为各阶模态频率的变化，通常为增强。