一种网格增强智能折纸复合材料结构设计方法与流程

本发明属于复合材料结构设计技术领域，具体是一种网格增强智能折纸复合材料结构设计方法。

背景技术：

可折展结构是一类能够自由地大尺度改变结构几何构型的结构，在航天、船舶、医疗等工程领域具有广泛的应用。以大型空间可展开结构为例，随着深空探测活动的多样化发展，对航天器的功能需求越来越多。大型化、轻质化、可折展、高承载、耐空间环境等是航天器结构未来的发展方向。受限于运载器对有效空间和有效载荷的严格要求，航天器的创新发展遇到了前所未有的挑战。如何解决大型航天器轻质、易折展、同时展开后高承载的设计难题，是国内外大型空间结构/材料研究领域的热点之一。

空间伸展臂作为空间可展开结构的一类基本组成，是构建大型复杂空间结构的基础。其主要作用是将有效载荷支撑至指定空间位置。应用时首先需要高效收拢，入轨后展开，并能够提供一定的承载能力。传统的桁架式伸展臂展开可靠性好，结构刚度和强度高，但结构复杂度较高、质量大；套筒式伸展臂展开精度高、可靠性好，但收拢效率低；薄壁管式伸展臂和充气式伸展臂的质量小、收拢比高、可靠性高，但结构刚度较小，承载能力有限等。目前没有一类伸展臂不但质量轻、折展可靠，而且展开后还具有较高的结构承载能力。

折纸结构由于优异的折展变形能力和可设计性等优点，近年来成为了科学领域和工程领域研究的热点。目前对基于折纸的超结构/超材料的研究如火如荼。miura-ori折纸原理已成功应用于机器人旋翼飞机、可折叠船体结构、人造血管支架、防冲击夹芯板的芯子、声学传感器阵列、可变构型声屏障等领域。折纸结构具有的轻质、易折展的特性引起了我们的极大关注。是否可将折纸设计思想应用到空间可展开结构的设计中呢？研究发现，对折痕的设计是折纸结构设计的核心。实际上对可展开薄膜结构研究人员而言，折痕并不陌生，结构在高效收纳时不可避免地会产生大量局部塑性变形，也就是折痕，这些折痕通常是杂乱无章的，严重影响结构的展开性能和最终成型精度，这一问题多年来一直困扰着结构设计人员。受传统思维的限制，研究人员常常考虑如何消除折痕的影响，并没有想办法设计或者利用这些折痕。当前折纸结构的大量出现，激发了我们想要利用和设计折痕，创新设计可展开结构的想法。在传统手工折纸工艺中，已经可以看到能够自展开或自折叠的折纸结构，这说明通过对折痕的合理设计，有望实现折纸结构的自驱动展开。这对可展开结构意义重大，可以节省大量的能源消耗。该方面的研究目前还未见到专业期刊论文的报道。折纸结构在具备轻质和可折展特性的同时，如何在展开后还能具备高承载的能力，是结构设计时应该重点考虑的问题。

形状记忆复合材料，是通过将形状记忆聚合物与碳纤维等增强材料复合制作而成。在一定条件下(比如加热)，同时受到特定的外载荷作用，将材料赋予预定构型。外载荷不变情况下，改变一些外部条件(如降温)，卸载后材料可以保持构型不变。再次加热时，材料可以回复到初始状态。形状记忆复合材料具有回复变形大、比强度和比刚度高的优点。

网格增强技术在航空航天、船舶海洋等领域应用广泛，比较典型的应用有飞艇、太空居住舱、格栅圆柱壳体等，是大型结构减重，同时保证结构承载能力的重要手段之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种网格增强智能折纸复合材料结构设计方法，解决可展开结构的轻质、可靠可控折展，同时展开后高承载的问题，本发明可应用于航空航天、船舶海洋、医疗卫生等行业中可折展结构的设计，潜在的应用对象包括可展开天线或太阳帆的支撑臂、平面合成孔径雷达及曲面或柱面天线的支撑结构、可折展船体结构、人造血管支架等。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

一种网格增强智能折纸复合材料结构设计方法，所述网格增强智能折纸复合材料结构包括具有折痕的折纸基体以及网格增强形状记忆刚化骨架，所述方法是：在具有折痕的折纸基体上铺设网格增强形状记忆刚化骨架，之后，通过具有形状记忆功能的树脂胶将二者粘接复合在一起。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：折纸基体可以实现折叠与展开，但自身展开力不足，同时展开后承载性能不够，这限制了其作为承载结构进一步工程应用。所提出的网格增强骨架具有形状记忆功能，可通过电、光等多种刺激方式，实现对骨架的折叠与展开控制。展开到设定位置后，撤掉外场刺激，骨架进行刚化，从而保证结构的整体承载性能。如需改变结构构型，还可以再次施加外场刺激，软化骨架，通过形状记忆骨架的折叠与展开变形，实现整体结构的变构型控制。利用本发明设计的网格增强智能折纸复合材料结构质量轻、折展可靠可控、变构型能力强、同时还可以保证展开后承载性能，可以很好地满足可展开结构的性能需求。该网格增强智能折纸复合材料结构设计方法将为可展开结构的创新设计提供一种有效解决方案，可应用于要求轻质、可靠折展，同时展开后高承载的一类结构的设计。

附图说明

图1是本发明的网格增强智能折纸复合材料结构组成的示意图；

图2是根据本发明设计的一种miura-ori型网格增强智能复合材料结构示意图；

图3是根据本发明设计的一种z字型网格增强智能复合材料结构示意图；

图4是根据本发明设计的一种miura-ori型轴向网格增强智能复合材料支撑管示意图；

图5是根据本发明设计的一种miura-ori型轴环双向网格增强智能复合材料结构示意图；

图6是根据本发明设计的一种kresling型网格增强智能复合材料支撑管示意图。

图2-图6中的粗线条表示的是网格增强形状记忆刚化骨架。

具体实施方式

如图1-图6所示，本实施方式披露了一种网格增强智能折纸复合材料结构设计方法，所述网格增强智能折纸复合材料结构包括具有折痕的折纸基体1以及网格增强形状记忆刚化骨架2，所述方法是：在具有折痕的折纸基体1上铺设网格增强形状记忆刚化骨架2，之后，通过具有形状记忆功能的树脂胶将二者粘接复合在一起。

复合时需要将网格增强形状记忆刚化骨架2在特定外界条件(如热、电、光、磁场或溶液(常见的有纤维素、十二烷基硫酸钠等)等外加刺激)下放置一段时间。不同的刺激方式或者相同类型刺激方式但是配方不同，所需要的时间也不同。这取决于网格增强形状记忆刚化骨架2所选用的形状记忆材料体系决定，为现有技术。如对热驱动形状记忆聚合物制备的骨架而言，其材料玻璃化转变温度一般在60-100℃之间，故复合时需要将网格增强形状记忆刚化骨架2加热到玻璃化转变温度以上放置两个小时即可。这些特定外界条件都是现有技术。

复合时，先将具有折痕的折纸基体1及网格增强形状记忆刚化骨架2均展开至正常工作时所需要的构型状态。

所述具有折痕的折纸基体1的材质为mylar膜、f4.6薄膜、聚酰亚胺薄膜、镀铝聚酰亚胺膜片、柔性织物膜、复合材料薄膜或形状记忆薄膜。

所述网格增强形状记忆刚化骨架2的材质为形状记忆合金、形状记忆聚合物或形状记忆复合材料。

制备的网格增强智能折纸复合材料结构在应用时，首先利用特定的外界条件进行刺激，使得结构软化；然后根据所设计折痕线提供的折展机制，将折纸复合材料结构高效折叠收拢；之后达到工作环境后，再次利用特定的外界条件进行刺激，结构将沿着折痕设计自动展开；最后，直至展开到初始记忆的构型状态，结构即可进入工作状态。

设计原理是：网格增强形状记忆刚化骨架2的设计需根据折纸基体1结构形式确定。通过合理设计折痕实现结构的高效折叠，也包括对形状记忆刚化骨架2的折展设计；以折痕驱动+网格增强形状记忆刚化骨架2驱动的方式实现结构高效可靠可控展开；通过折痕+网格增强形状记忆刚化骨架2联合承载的方式保证结构整体承载；借鉴网格增强结构的设计理念，在保证结构承载的同时，结构整体质量较轻。这一新型复合材料结构设计方法为大型可展开结构的创新设计提供一种有效途径。