一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构的制作方法

本发明属于飞行器设计制造技术领域，特别涉及一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构。

背景技术：

飞行器的操纵面通常被称为舵面，其偏转角度不同时，对飞行器空气动力学特性的影响会发生变化，因此，基于不同舵面偏转角度的飞行器风洞试验研究具有重要意义。形状记忆合金(shapememoryalloy，简称sma)是一种广泛应用于驱动结构的智能材料，可利用sma的形状记忆效应，将sma变形产生的应力作为驱动力来驱动舵面连续偏转。尽管sma丝具备体积小、质量轻、应力大、频响特性好等多种优势，其冷却速度却相当缓慢，这一定程度上限制了舵面偏转的速度和角度，导致舵面偏转周期长、风洞试验效率低下。因此，有必要研制一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构，有效解决sma丝冷却时间过长导致的舵面偏转速度较慢的问题，以此提高风洞试验效率。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题：提供一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构，解决sma丝冷却时间过长导致的舵面偏转速度较慢的问题。

本发明技术解决方案：为解决上述问题，本发明提供一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构，该结构包括多段式肋架、sma丝、肋架与夹具固连装置、环形压电陶瓷和钢材料组成的夹具。

在没有可控夹具的结构中，一个周期的sma丝加热驱动完成之后，仍需等待所有sma丝冷却下来才能进行下一个周期的驱动。为了进一步减小sma丝的冷却时间对整体变形速度的影响，可以更改sma丝与肋架的连接方式。当sma丝与肋架固连时，即便在肋架两侧均配置了sma丝，两侧的sma丝也不能各自独立发挥驱动作用，若能将暂时不起驱动作用的sma丝释放，两侧的sma丝便可以各自独立驱动，驱动过程也更为灵活。为了实现sma丝的释放，设计一种可控的夹具来操作，这种夹具应可提供足够大的力来夹紧需要发挥驱动作用的sma丝，也要有足够小的尺寸来嵌入到当前的结构中。压电陶瓷作为一种智能材料，具有独特的逆压电效应，表现为对压电陶瓷加电压，会使其产生应变，此应变伴随着一定的应力，也就是所研究的结构中所需的驱动力。由此可知压电陶瓷是一种合适的材料，于是采用压电陶瓷的作为可控夹具来完成对sma丝驱动过程的控制。

本结构利用压电陶瓷的特性设计了一种可控夹具，用于辅助sma丝的驱动过程，具体实现为改变sma丝与肋架的连接方式。不同于原有变形结构中sma丝直接与肋架固连，本结构中引入了压电陶瓷这种智能材料，借助于压电陶瓷设计了一种可控的夹具，利用其逆压电效应，通过外电场的变化改变压电陶瓷所输出的驱动力，从而夹紧需要产生驱动力的sma丝，释放暂时无需工作的sma丝，使变形过程更为灵活。本结构实质上是通过sma丝表面的摩擦力来带动肋架各段发生相对转动，从而实现舵面的偏转。环形压电陶瓷及内部的高弹性模量钢构成了sma丝的可控夹具，当压电陶瓷通电时，其厚度会增大，从而产生向内的压力，通过钢材料传递到sma丝表面。由于钢材料与sma丝的接触面积要远小于其与压电陶瓷的接触面积，因此，作用在sma丝表面的压力会有一个放大效应，从而使sma丝表面的摩擦力相应增大。同时，在每个驱动中，都有两根sma丝同时作用，可减小每根sma丝上所需的摩擦力。当sma丝加热收缩时，即可带动肋架产生相应的运动。而当sma丝无需起作用时，停止对压电陶瓷通电，则sma丝的变形不会对舵面产生影响。

例如，假使肋架向上偏转，可选择加热上侧sma丝来实现，此时可对该sma丝处的压电陶瓷通电流，使其可以产生摩擦力从而驱动舵面。同时，释放背面的上侧sma丝和两面的下侧sma丝。而当使肋架向下偏转时，释放上侧sma丝并对下侧sma丝处的压电陶瓷通电，即可实现驱动目标。

在sma丝与外电路连接之前，还需经过固定在肋架上的旋转电动机。在没有可控夹具的结构中，sma丝是与肋架固连的，当sma丝收缩并起到驱动作用后，可借助对侧sma丝将其拉伸，从而可以再次驱动。而在本结构中，由于可控夹具将sma丝释放之后，对侧的sma丝无法将其拉伸，因此需要辅助装置将sma丝拉伸到预设的可驱动长度。旋转电动机可以实现这种功能。在使用旋转电机拉伸sma丝时，同样是由压电陶瓷制作的可控夹具固定sma丝，对旋转电动机通电，将sma丝拉伸到预设的长度，然后将其释放，便可用于接下来的驱动过程。

另外，由于sma丝的端点处需与外部电路连接，其位移受到一定的限制，因此本结构具有良好的可靠性，无需担心被释放的sma丝会从压电陶瓷处脱落。

本发明的上述技术方案具有如下优点：性能稳定，操作简单；可实现sma丝夹紧和释放的灵活控制。本结构采用智能材料包括压电陶瓷和sma来实现对舵面偏转的驱动作用，可以有效解决sma丝冷却时间过长导致的舵面偏转速度较慢的问题。

附图说明

图1为依照本发明实施例的可控夹具的立体结构示意图；

图2为依照本发明实施例的可控夹具的平面结构示意图；

图3为依照本发明实施例的可控夹具在舵面内部肋架上的位置示意图；

图中：1：固连装置；2：环形压电陶瓷；3：钢材料；4：sma丝；5：可控夹具；6：肋架第一段；7：铰链；8：肋架第二段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图3所示，本发明实施例提供一种智能材料驱动舵面偏转的可控夹具结构，包括1、固连装置4、sma丝5、可控夹具6、肋架第一段7、铰链8、肋架第二段。

如图1、2所示为图3中5、可控夹具放大后的结构示意图，包括1、固连装置2、环形压电陶瓷3、钢材料4、sma丝。

舵面内部的肋架被换分为两段6和8，二者通过铰链7相连接，其中肋架第一段6固定不动，肋架第二段8可转动，从而使得舵面发生偏转。两段肋架之间的相对转动由sma丝4驱动，肋架的正面和背面各有上下侧两根sma丝，即一共四根sma丝。每根sma丝的两端由固连装置1分别与两段肋架相连接，且可控夹具仅存在于sma丝与肋架第一段的固连装置中。当环形压电陶瓷2通电时，其厚度会增大，从而产生向内的压力，通过钢材料3传递到sma丝4表面。由于钢材料与sma丝的接触面积要远小于其与压电陶瓷的接触面积，因此，作用在sma丝表面的压力会有一个放大效应，从而使sma丝表面的摩擦力相应增大。同时，在每个驱动中，都有两根sma丝同时作用，可减小每根sma丝上所需的摩擦力。当sma丝加热收缩时，即可带动肋架产生相应的转动。而当sma丝无需起作用时，停止对压电陶瓷通电，则sma丝的变形不会对舵面产生影响。

具体实施时，若要使肋架向上偏转，可选择加热上侧sma丝来实现，此时对该sma丝处的压电陶瓷通电流使其夹紧产生摩擦力，当上侧sma丝加热收缩时，肋架第二段8以铰链7为转轴发生向上的转动，从而驱动舵面向上偏转。同时，释放背面的上侧sma丝和两面的下侧sma丝。而当使肋架向下偏转时，释放上侧sma丝并对下侧sma丝处的压电陶瓷通电，即可实现驱动目标。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。