形状记忆合金结构的方法和系统的制作方法

形状记忆合金结构的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种训练形状记忆合金工件，即SMA工件的方法。该方法包括施加力偶到形状记忆合金工件，即SMA工件，以施加大致平面转变行为到该SMA工件，从而获得被训练形状记忆合金工件，即被训练SMA工件。
【专利说明】形状记忆合金结构的方法和系统
【技术领域】
[0001]本公开大体涉及用于加工形状记忆合金(SMA)材料的方法和系统，使得当该SMA被循环或变形时，产生斜变运动。本公开进一步涉及具有施加有斜变运动的形状记忆合金的机械致动器以及一种使用该机械致动器影响或扭曲诸如翼面等的结构的形状的方法。
【背景技术】
[0002]在飞行的各个阶段期间可控制地扭转、弯曲或变形诸如飞机机翼、旋翼机旋转桨叶或其他空气动力表面等的飞行器空气动力表面的能力可显著提高飞行器的性能。对实施已知机械和/或电磁致动器或其他经设计扭转、弯曲或变形飞机机翼、旋翼机旋转桨叶或其他空气动力表面的装置的限制是，用于此目的的致动器或其他装置必须克服用于形成机翼、旋转桨叶或其他空气动力表面的材料的固有结构刚度。
[0003]已知的致动器和致动器系统组件是由形状记忆合金(SMA)制成，且经设计在飞行器中使用。形状记忆合金(SMA)是一组具有感兴趣热和机械性能的金属。形状记忆合金可以存在于几种不同的取决于温度的相中的一种。这些相中最常用的相是所谓的马氏体相和奥氏体相。在加热形状记忆合金通过相变温度时，该形状记忆合金从马氏体相变为奥氏体相。如果由形状记忆合金材料(例如NiTinol)制成的组件变形，同时处于马氏体状态(低屈服强度条件)且然后被加热到其转变温度以达到奥氏体状态，则该组件的形状记忆合金材料将恢复其原始(未变形)形状。返回到原始形状的速率取决于施加到该组件的热能的量和速率。当热被从该组件移除时，将会回到马氏体状态，在该马氏体状态下可以再次变形该组件。 [0004]对SMA致动器和结构的热-机械加工的已知限制可包括轴向应变、弯曲应变、扭转应变。此外，已知致动器的已知SMA致动器系统组件可包括SMA导线和SMA板，该SMA导线可通过拉动被训练，该SMA板可通过弯曲被训练。然而，难以控制由此类已知SMA致动器系统组件进行的表面的致动或形状控制。而且，此类已知SMA致动器系统组件的形状和尺寸使其难以集成到已知的致动器或其他类型的SMA致动器中。
[0005]另外，已知的SMA致动器可包括SMA扭转管致动器，其沿空气动力表面在一个或更多个离散位置处施加力和转矩，且其可通过扭转被训练。此类已知的SMA扭转管致动器的SMA材料可具有双程形状效应，以允许该扭转管致动器从原始形状扭转为被训练的形状且从该被训练的形状扭转回到原始形状。然而，此类已知的SMA扭转管致动器会需要两个SMA扭转管组件，这两个SMA扭转管组件需要连续施加电力到每个SMA构件的加热器元件，以保持具体负载的转动位置。这会增加系统重量和复杂性以及要求过多的功率。
[0006]因此，本领域中需要形状记忆合金(SMA)结构的改进方法和系统，该形状记忆合金(SMA)结构提供超过已知的方法和系统的优点。

【发明内容】

[0007]满足了形状记忆合金(SMA)结构的改进方法和系统的这种需要。如下面详细描述中所讨论的，飞行器中使用的形状记忆合金(SMA)致动器的改进方法和系统的实施例可提供优于已知装置、方法和系统的显著优点。
[0008]在本公开的一个实施例中提供了一种训练形状记忆合金(SMA)工件的方法。该方法包括施加力偶到该SMA工件，以施加大致平面转变行为到该SMA工件，从而获得被训练的形状记忆合金(SMA)工件。
[0009]在本公开的另一实施例中提供了一种能够执行工作的训练系统。该训练系统包括形状记忆合金(SMA)致动器，其表现出大致平面转变行为。该训练系统进一步包括一个或更多个加热元件，其将该SMA致动器从原始形状转变成被训练形状，从而执行工作。
[0010]在本公开的另一实施例中提供了一种结构。该结构包括至少一个被训练的形状记忆合金(SMA)工件，其具有大致平面转变行为。所述至少一个被训练的SMA工件被连接到一种结构。该结构响应所述至少一个被训练的SMA工件的温度变化是可调整的。
[0011]已经讨论的特征、功能和优点可以在本公开的各种实施例中单独实现或者可被结合在其他实施例中，其他实施例的进一步细节可以参照下列描述和附图看出。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]结合附图参照下列详细描述，可以更好理解本公开，附图示出优选实施例和示例性实施例，但是附图不一定按比例绘制，在附图中:
[0013]图1是已知飞 机的透视图的图示，该已知飞机可包含由本公开的方法的实施例之一训练的被训练形状记忆合金(SMA)致动器的实施例；
[0014]图2是已知旋翼机的透视图的图示，该已知旋翼机可包含由本公开的方法的实施例之一训练的被训练SMA致动器的实施例；
[0015]图3A是本公开的SMA工件实施例的放大透视平面图的图示；
[0016]图3B是本公开的被训练SMA工件实施例的放大透视平面图的图示；
[0017]图4是训练设备部件的透视图的图示，该训练设备部件可用于本公开的方法的实施例之一中；
[0018]图5是本公开的被训练SMA致动器和温度控制系统的实施例的放大透视平面图的图示；
[0019]图6是安装在本公开的训练设备部件中之前被粘结到复合结构的SMA致动器的实施例的放大平面图的图示；
[0020]图7A是本公开的训练变体的实施例的平面图的图示；
[0021]图7B是本公开的训练变体的另一实施例的平面图的图示；
[0022]图7C是本公开的训练变体的又一实施例的平面图的图示；
[0023]图7D是本公开的训练变体的又一实施例的平面图的图示；
[0024]图7E是本公开的训练变体的又一实施例的平面图的图示；
[0025]图7F是本公开的又一实施例的分解侧视图的图示；
[0026]图7G是本公开的图7F的训练变体的装配侧视图的图示；
[0027]图8A是形状记忆合金(SMA)致动器部件的放大透视侧视图的图示，其中被训练SMA致动器的实施例由本公开的方法的实施例之一训练；
[0028]图SB是集成到结构翼梁的图8A的SMA致动器部件的放大透视侧视图的图示；[0029]图8C是图8A的虚线圆8C的放大透视图的图示，该虚线圆8C示出热电模块(TEM);
[0030]图8D是图8A的虚线圆8D的放大局部透视图的图示，该虚线圆8D示出热连接器；
[0031]图9A是复合结构和被训练SMA致动器的实施例之一的放大局部视图的图示，被训练SMA致动器由本公开的方法的实施例之一训练且被示为在机械附接和集成到结构翼梁之前；
[0032]图9B是图9A的复合结构和被训练SMA致动器的放大局部视图的图示，该复合结构和被训练S MA致动器被示为在机械附接和集成到结构翼梁期间；
[0033]图9C是图9A的复合结构和被训练SMA致动器的侧视图的图示，其被示为在机械附接和集成且集成到结构翼梁之后；
[0034]图10是本公开的波状形状SMA致动器的实施例的放大平面图的图示；
[0035]图11是训练系统的方框图，其可用于本公开的方法的实施例之一中；和
[0036]图12是训练SMA工件的方法的本文所公开实施例之一的方块流程图。
【具体实施方式】
[0037]参照附图，现在下文更充分描述所公开的实施例，在附图中示出部分但非全部所公开实施例。实际上，可提供几个不同的实施例，且这几个不同实施例不应该被解释为限于本文所阐述的实施例。相反地，提供这些实施例，使得本公开将是彻底的且将全面地传达本公开的范围给本领域的技术人员。
[0038]现在参照附图，在本文所公开的实施例中提供了一种训练诸如以形状记忆合金(SMA)致动器62 (参见图3B)形式的“形状记忆合金”(“SMA”)工件60 (参见图3A)的方法300 (参见图12)，以获得用于连接到结构164 (参见图6、图8B、图9C)(如复合结构165(参见图6、图8B、图9C))的诸如被训练SMA致动器62a (参见图3B)形式的被训练形状记忆合金(SMA)工件60a (参见图3B)。被训练的SMA致动器62a可以被连接到或被包括在机械、结构、热机械、热结构、电热机械和电热结构系统中的各种结构164。
[0039]图1是飞行器10 (如飞机11)的透视图的图示，该飞行器10可包含本公开的被训练SMA致动器62a (参见图3B)的实施例。如图1中所示，飞机11包括机身12、附接到机身12的机翼14、16、一个或更多个推进单元18和尾翼20。每个机翼14、16具有上机翼蒙皮22、下机翼蒙皮24、翼根26、翼梢28和在上机翼蒙皮22和下机翼蒙皮24之间的至少一个结构翼梁30。如本文所用，“结构翼梁”是指具有承载一个或更多个负载的能力的细长结构构件。
[0040]图2是以直升飞机形式(如旋翼机34)的飞行器10的透视图的图示，其可包含被训练SMA致动器62a (参见图3B)的实施例。如图2中所示，旋翼机34包括机身36、尾梁38和耦合到轮毂42的多个旋翼桨叶40。每个旋翼桨叶40包括至少一个结构翼梁44，其从叶根46延伸到叶梢48。
[0041]虽然飞机11 (参见图1)和旋翼机34 (参见图2) —般代表可包含被训练SMA致动器62a (参见图3B)的一个或更多个实施例的飞行器10，但是公开实施例的教导可被应用于其他飞行器和其他类型的运输工具以及适合被连接到或被包括在本公开的被训练SMA致动器62a (参见图3B)实施例的其他结构。
[0042]在本公开的一个实施例中提供了训练形状记忆合金(SMA)工件60 (参见图3A)的方法300 (参见图12)。图12是训练SM工件60 (参见图3A)的方法300的本文所公开的实施例之一的方块流程图。如图12中所示，方法300包括步骤302，其施加力偶76(参见图11)到SMA工件60 (参见图3A)以施加大致平面转变行为78 (参见图11)到SMA工件60，从而获得被训练的形状记忆合金(SMA)工件60a (参见图3B)。
[0043]如本文所用，“力偶”是指一对相反力，例如，第一相反力76a (参见图3A)和第二相反力76b (参见图3A)，或者施加力244 (参见图10)和反作用力246 (参见图10)，其中相反力大小基本相等、指向基本相反、基本非共线的、大致共面的且位移一个基本垂直距离。如本文所用，“大致平面转变行为”是指当力偶施加到SMA结构(如SMA工件60)时转变或改变诸如SMA工件60的形状记忆合金(SMA)结构的形状的平面内运动。
[0044]图3A是本公开的SMA工件60实施例的放大透视平面图的图示。图3B是本公开的被训练SMA工件60a实施例的放大透视平面图的图示。在本公开的一个实施例中提供了被训练的形状记忆合金(SMA)工件60a (参见图3B)。被训练的SMA工件60a包括SMA工件60 (参见图3A)。SMA工件60是由形状记忆合金原材料61 (参见图3A)制成。优选地，SMA工件60是形状记忆合金(SMA)致动器62 (参见图3A)的形式，该形状记忆合金(SMA)致动器62具有片材或带材的结构或形状且更优选地具有平面形状，如矩形形状75a (参见图3A)。如图3A中所示，SMA工件60的形状处于原始形状75 (参见图3B)，如矩形形状75a(参见图3B)的形式。如图3A中所不,SMA工件60包括第一端64、第二端66、第一边缘68、第二边缘70、诸如顶面的第一表面72和诸如底面的第二表面74。如图3A-3B中进一步所示，第一相反力76a (参见图3A)施加到SMA工件60的第一边缘68 (参见图3A)，且第二相反力76b (参见图3A)施加到SMA工件60的第二边缘70 (参见图3A)，以施加大致平面转变行为78(参见图11)到SMA工件60。通过产生由图3A和图3B之间箭头表示的斜变运动(racking motion)79以改变SMA工件60的形状以获得被训练SMA工件60a (参见图3B)，该大致平面转变行为78 (参见图11)可被施加到SMA工件60。被训练SMA工件60a的形状是被训练形状77 (参见图 3B)，如平行四边形形状77a (参见图3B)的形式。诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a包括第一端64、第二端66、第一边缘68、第二边缘70、诸如顶面的第一表面72和诸如底面的第二表面74。
[0045]施加力偶76 (参见图11)到SMA工件60 (参见图3A)的方法300 (参见图12)的步骤302 (参见图12)可包括施加相反力，如施加第一相反力76a (参见图3A)到第一边缘68 (参见图3A)和施加第二相反力76b (参见图3A)到第二边缘70 (参见图3A)，使得沿边的斜变负载80 (参见图11)被施加到SMA工件60。如本文所用，“沿边的斜变负载”是指一种自然的负载，其倾向于将基本矩形形状75a (参见图3A)物体或结构转变为基本平行四边形形状77a (参见图3B)物体或结构，或者将基本正方形形状(未示出)物体或结构转变为基本菱形形状(未示出)物体或结构。
[0046]另外，施加力偶76 (参见图11)到SMA工件60 (参见图3A)的步骤302可包括施加相反力，如施加力244 (参见图10)和反作用力246 (参见图10)，使得在SMA工件60中产生波状变形242 (参见图10)，相对于图10在下面进一步详细讨论。另外，施加力偶76(参见图11)到SMA工件60 (参见图3A)的步骤302可包括施加相反力，如施加力244 (参见图10)和反作用力246 (参见图10)，以施加大致非波状至波状转变行为247 (参加图11)到SMA工件60，即将诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的形状从原始形状75 (参见图3A)或非波状形状改变为波状形状243 (参见图10)。
[0047]如图12中进一步所示，方法300可包括施加热循环82 (参见图11)到诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的步骤304。施加热循环82的步骤304可包括以循环的方式施加力偶76，从而施加基本平面应变循环84 (参见图11)到诸如SMA致动器62形式的SMA工件60 (参见图3A)，以导致SMA工件60具有大致平面转变行为78 (参见图11)。施加热循环82的步骤304可包括施加热到诸如SMA致动器62形式的SMA工件60，以产生斜变运动79 (参见图3A-3B)，该斜变运动79将SMA工件60的形状从包括基本矩形形状75a (参见图3A)的原始形状75 (参见图3A)改变为包括基本平行四边形形状77a (参见图3B)的被训练形状77 (参见图3B)。将SMA工件60的形状从基本矩形形状75a改变为基本平行四边形形状77a的斜变运动79优选地保留SMA工件60的一个底部(base)和相应高度。
[0048]施加热循环82的步骤304可包括诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的热机械加工，以施加大致平面转变行为78 (参见图11)到SMA工件60，以便获得诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a (参见图3B)。热机械加工可包括使用温度控制系统123 (参见图5)施加温度变化125 (参见图11)，如下面进一步详细讨论。
[0049]形状记忆合金(SMA)原材料61 (参见图3A-3B)可包括但不限于，诸如镍-钛(NiTinol)基合金、镍-钛-钼基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、镍-铝-钼基合金、镍-镓基合金、铜基合金、金-镉基合金、铁-钼基合金、铁-钯基合金、银-镓基合金、铟-镓基合金、锰-铜基合金、钌-铌基合金、钌-钽基合金、钛基合金、铁基合金等合适形状记忆合金。更优选地，该形状记忆合金为NiTinol。
[0050]优选地，本文所公开的在诸如SMA致动器62 (参见图3B)形式的SMA工件60 (参见图3A)的实施例中使用的形状记忆合金可具有双程形状效应。形状记忆合金所经历的双程形状效应包括两个相 或条件，其包括马氏体相86 (参见图11)和奥氏体相(参见图11)。马氏体相86是在较低温度下存在的形状记忆合金的相对软且容易变形的相。当该形状记忆合金被加热时，其经历从马氏体相86 (原始形状75)到奥氏体相88 (被训练形状77)的转变。在奥氏体相88中，该形状记忆合金“记住”其在变形前所具有的形状。在低应力和低温下，马氏体相86存在，且在较高温度和较高应力下，奥氏体相88存在。形状记忆合金会经历大量的应变，且然后在温度增加或卸载时，恢复到其原始形状75。
[0051]在加热诸如SMA致动器62形式的SMA工件60 (参见图3A)时，且在施加诸如第一相反力76a和第二相反力76b形式的力偶76 (参见图11)到SMA工件60时，双程形状效应允许SMA工件60被训练并且从原始形状75 (参见图3A)或马氏体相86 (参见图11)移动到被训练形状77 (参见图3B)或奥氏体相88 (参见图11)，且从被训练形状77移回原始形状75。通过施加预定应力水平(例如，25-35ksi，且优选30ksi (ksi=每平方英寸一千磅))且重复加热SMA工件60至少500-1000次循环，从而施加基本平面应变循环84(参见图11)到诸如SMA致动器62 (参见图3A)形式的SMA工件60 (参见图3A)，可以循环方式施加力偶76。当从对应马氏体相86或原始形状75的第一温度加热到对应奥氏体相88或被训练形状77的第二温度时，SMA工件60促进形状变化。当SMA工件60被加热到第二温度或高于相变温度时，SMA工件60达到奥氏体相88 (参见图11)，从而导致SMA工件60移动到并恢复到其原始形状75。以保持SMA工件60的第一边缘68 (参见图3A)静止同时第二边缘70 (参见图3A)移动或接收训练负载的方式，可执行包括热机械加工或循环的训练。因此，训练SMA工件60可进一步包括循环地施加和除去负载并且增加和降低SMA工件60的温度且同时测量和控制应变。
[0052]在诸如SMA致动器62形式的SMA工件60上执行任何训练之前，SMA工件60可具有矩形、未变形形状的初始形状63 (参见图11)。在诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的训练期间，施加的负载186 (参见图11)优选地被施加到SMA工件60，同时以热循环82(参见图11)热循环该SMA工件60。在马氏体相86 (参见图11)中，SMA工件60具有原始形状75，其由于在训练期间被施加到SM工件60的施加负载186 (参见图11)而优选的为变形形状。当SMA工件60被加载且同时在马氏体相86中是冷的时候，SMA工件从基本矩形形状75a (参见图3A)变形为基本平行四边形形状77a (参见图3B)(变形形状)。当施加热时，基本平行四边形形状77a (变形形状)返回到接近初始形状63 (例如，矩形、未变形形状)的形状。通过热循环一段有效时间段，SMA工件60优选地以被训练SMA工件60a (参见图3B)的形式被训练。一旦被训练，诸如具有基本平行四边形形状77a的被训练SMA工件60a可被加工，使得第一边缘68 (参见图3B)、第二边缘70 (参见图3B)、第一端64 (参见图3B)和/或第二端66 (参见图3B)可被切成原始形状75 (参见图3A)，例如，矩形形状75a (参见图3A)。当被加热时，SMA工件60的原始形状75 (参见图3A)优选地转变为被训练SMA工件60a (参见图3B)的被训练形状77 (奥氏体相88)。
[0053]在本公开的另一实施例中，提供了一种能够执行工作的训练系统90 (参见图11)。图11是训练系统90的方框图，其可用于本公开的方法300 (参见图12)的实施例之一中。如图11中所示，训练系统90包括形状记忆合金(SMA)工件60，如形状记忆合金(SMA)致动器62，其表现出大致平面转变行为78。训练系统90进一步包括一个或更多个加热元件124(参见图5、图11)，其将诸如SMA致动器62形式的SMA工件60从原始形状75 (参见图3A)转变为被训练形状77 (参见图3B)，从而执行工作。 [0054]被训练的SMA致动器62a (参见图3B)可包括被训练的SMA工件60a (参见图3B)，其表现出大致平面转变行为78 (参见图11)。被训练的SMA致动器62a可进一步包括被训练的SMA工件60a (参见图3B)，其中通过施加力偶76 (参见图11)到SMA工件60 (参见图3A)以施加大致平面转变行为78 (参见图11)到SMA工件60，训练被训练的SMA工件60a。训练系统90优选能够施加运动且由此执行工作。如图11中所示，训练系统90进一步包括训练设备部件100 (也参见图4)，其具有负载施加装置102 (也参见图4)和温度控制系统123 (也参见图5)。负载施加装置102能够施加运动或传输运动到一种结构，该结构包括意在移动和接收运动的机构或联动装置，如滑动装置112 (参见图4、图11)。
[0055]负载施加装置102 (参见图4)优选施加沿边的斜变负载80 (参见图11)到诸如SMA致动器62 (参见图4)形式的SMA工件60。温度控制系统123 (参见图5)优选控制所述一个或更多个加热元件124 (参见图5)，且优选施加温度变化125 (参见图11)到诸如SMA致动器62形式的SMA工件60，以便产生斜变运动79(参见图3A-3B)，该斜变运动79将诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的形状从包括基本矩形形状75a (参见图3A)的原始形状75 (参见图3A)改变为包括基本平行四边形形状77a (参见图3B)的被训练形状77(参见图3B)。
[0056]诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的训练和热机械加工优选包括使用具有训练设备部件100 (参见图4、图11)的训练系统90 (参见图11)，且优选地进一步包括性能测量系统92 (参见图11)，该性能测量系统92直接或间接确定所产生的应变94 (参见图11)或由训练设备部件100施加或由SMA工件60产生的负载96 (参见图11)。如果SMA工件60被安装到训练设备部件100 (参见图4)中，则接口开口 158 (参见图5)可被切入到SMA工件60 (参见图5)内。此类接口开口 158可被切成所需的形状和尺寸，以便接收训练设备部件100 (参见图4)的保持元件116 (参见图4),如夹具118 (参见图4)。
[0057]诸如SMA致动器62形式的SMA工件60可例如经由粘接、机械附接或另一合适的连接过程被切割、化学加工和连接到结构164 (参见图6)，优选地复合结构165 (参见图6)。结构164可以根据需要被机加工成夹持到训练设备部件100 (参见图4)中。
[0058]图4是训练设备部件100的透视图的图示，该训练设备部件100可用于训练诸如SMA致动器62形式的SMA工件60。训练诸如SMA致动器62形式的SMA工件60可包括安装诸如SMA致动器62 (参见图4)形式的SMA工件60到训练设备部件100内且在加热和冷却诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的同时施加沿边的斜变负载80。诸如SMA致动器62 (参见图4)形式的SMA工件60 (参见图4)优选地沿第一边缘68 (参见图4)且沿第二边缘70 (参见图4)被夹持。第二边缘70 (参见图3A)优选被固定，且第一边缘68 (参见图3A)优选地沿线性滑动装置114 (参见图4)自由地线性移动。沿边的斜变负载80 (参见图11)可以均匀地分布、离散地分布或以各种方式分布。
[0059]如图4中所示，训练设备部件100可经由底部耦合结构150被定位在基本平坦表面152上且耦合到该基本平坦表面152。训练设备部件100包括负载施加装置102 (参见图4)。负载施加装置102可包括冲压装置104 (参见图4)或线性致动器(参见图11)。负载施加装置102可耦合到用于调节负载施加装置102的调节器装置106。调节器装置106可以是压力调节器、流体动力调节器、电动调节器或其他合适调节器装置的形式。
[0060]如图4中所示，训练设备部件100可进一步包括诸如线性滑动装置114形式的滑动装置112。线性滑动装置114优选地被耦合到负载施加装置102。一个或更多个施加负载186 (参见图11)可由负载施加装置102 (参见图4)施加到线性滑动装置114。
[0061]在训练期间，诸如SMA致动器62 (参见图4)形式的SMA工件60 (参见图4)优选地被安装在训练设备部件100中，且其第二端66 (参见图4)离负载施加装置102最远。如图4中所示，训练设备部件100可进一步包括两个或更多个保持元件116，如夹具118的形式。诸如夹具118形式的两个或更多个保持元件116可包括用于接收紧固件(如螺栓(未示出))的孔120，以便保持诸如SMA致动器62形式的SMA工件60在训练设备部件100中。保持元件116可经由支承结构122被固定到训练设备部件100。诸如SMA致动器62形式的SMA工件60优选地在第一边缘68和第二边缘70上经由诸如夹具118 (参见图4)形式的保持元件116 (参见图4)被保持。如图4中所示,诸如SMA致动器62形式的SMA工件60可在第一边缘68和第二边缘70上被夹持，其中第二边缘70是固定的且第一边缘68自由地沿滑动装置112线性移动。由于所述一个或更多个施加负载186从负载施加装置102施加到线性滑动装置114，所以保持元件116可反作用于来自线性滑动装置114的一个或更多个反作用负载118 (参见图11)，即保持元件116可反作用或施加沿边的斜变负载80 (参见图 11)。
[0062]训练设备部件100可进一步包括温度控制系统123 (参见图5、图11)。图5是被训练SMA工件60a (如被训练SMA致动器62a)的实施例的放大透视平面图的图示，被训练SMA工件60a可由本公开的方法300 (参见图12)的实施例之一训练，且该图示出温度控制系统123。如图5中所示，温度控制系统123可包括一个或更多个加热元件124，其被定位在诸如SMA致动器62形式的SMA工件的第二表面74上。所述一个或更多个加热元件124可包括柔性加热带126 (参见图5、图11)、TEM (热电模块)214 (参见图8C)、加热灯(未示出)、热风器(未示出)、穿过电阻形状记忆合金材料的电流(未示出)或用于产生或控制热的其他适当的加热元件中的一个或更多个。
[0063]如图5中所示,所述一个或更多个加热元件124优选地被置于邻近诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a，以促进加热该形状记忆合金以便从马氏体相86(参见图11)移动到奥氏体相88 (参见图11)，其中SMA致动器62在剪切方向上移动。在训练期间且当被加热时，诸如SMA致动器62 (参见图3B)形式的SMA工件60 (参见图3A)试图从原始形状75 (参见图3A)(由于训练负载的变形形状、马氏体相86 (参见图11))转变为被训练形状77 (参见图3B)(接近初始形状63 (参见图11)，未变形形状、奥氏体相88 (参见图11))，且从被训练形状77移回到原始形状75。当诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a的温度冷却时，形状记忆合金材料返回到原始形状75、马氏体相86(参见图11)。当SMA工件60被训练时，在训练期间的施加力会一直存在且大小基本恒定。
[0064]如图5中进一步所示，温度控制系统123可包括一个或更多个温度传感器128，其与在被训练SMA致动器62a的第二表面74上的所述一个或更多个加热元件124相反地定位在被训练SMA致动器62a的第一表面72上。温度传感器128可包括热电偶装置129 (参见图5)或其他合适温度传感器128。图5示出被连接到热元件导线130的所述一个或更多个加热元件124，并且其进一步示出均被连接到单独传感器导线133的温度传感器128。如图5中所示，加热元件124优选地在有源致动器区域154中被定位到被训练SMA工件60a的第二表面74上。如图5中进一步所示，紧固件开口 158和接口开口 160优选地被定位在被训练SMA工件60a的外 接口区域156上。
[0065]如图4和图5中所示，温度控制系统123可进一步包括控制器装置132，其经由连接器131耦合到训练设备部件100的加热元件124的热元件导线130且进一步耦合到温度传感器128的传感器导线133。如图4和图5中进一步所示，控制器装置132可包括计算机装置134，该计算机装置134可包括用于运行和处理软件138的处理单元136。
[0066]使用加热元件124、温度传感器128和控制器装置132优选地控制诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的温度。训练设备部件100可进一步包括性能测量系统92，该性能测量系统92包括性能测量元件140 (参见图4、图11)。性能测量元件140可包括一个或更多个传感器142 (参见图4)，如激光位置传感器144 (参见图4)形式。图4示出附接到相应壳体元件146的两组激光位置传感器144。诸如激光位置传感器144形式的性能测量元件140优选测量诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的第一边缘68的运动和第二边缘70的运动。由该运动产生的应变94 (参见图11)可由性能测量元件140 (参见图4)测量。当训练完成时，可通过加热和冷却激活被训练SMA工件60a (参见图3B)，且可使用性能测量元件140测量被训练SMA工件60a的性能108 (参见图11)。训练可导致永久变形，从而导致相对于SMA工件60的初始形状63 (参见图11)的被训练SMA工件60a的大致轻微形状变化。训练设备部件100优选施加被施加负载186 (参见图11)到SMA工件60，同时加热和冷却该SMA工件60。[0067]在训练和加热之后，诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a可经受进一步加工。例如，如果由于可在训练期间发生的变形或永久变形的原因，被训练SMA工件60a在训练之后的形状不是所需的形状，则被训练SMA工件60a可经受一个或更多个进一步加工技术。此类加工技术可包括机加工、化学加工、切割、表面处理、表面精加工、粘接、涂层、电镀、抛光或其他合适加工技术中的一个或更多个。
[0068]在加工之后，诸如被训练SMA致动器62a (参见图3B)形式的被训练SMA工件60a(参见图3B)可被连接到一个或更多个结构164 (参见图6、图8A、图9B)。如图12中所示，方法300可进一步包括步骤306，其可选地连接诸如被训练SMA致动器62a (参见图3B)形式的被训练SMA工件60a (参见图3B)到一个或更多个结构164。优选地，所述一个或更多个结构164能够响应被训练SMA工件60a (如被训练SMA致动器62a)的温度变化而改变形状。连接被训练SMA工件60a (如被训练SMA致动器62a)的步骤306可包括集成或嵌入被训练SMA工件60a，如在飞行器10 (参见图1、图2)的结构翼梁30 (参见图1)或结构翼梁44 (参见图2)中集成或嵌入被训练SMA致动器62a，以影响结构翼梁30或结构翼梁44的形状。如本文所用，“影响”是指且包括但不限于，翘曲、挠曲、扭转、弯曲、扭曲或调整结构的形状，该结构例如结构翼梁30 (参见图1)或结构翼梁30的一部分、结构翼梁44 (参见图2)或结构翼梁44的一部分或结构翼梁224 (参见图SB)或结构翼梁224的一部分。所嵌入的被训练SMA致动器62a也被示为被集成到结构翼梁224 (参见图8B、图9C)中。
[0069]在本公开的另一实施例中，提供了结构164(参见图8B、图9C)，如自适应结构。如自适应结构的结构164 (参见图8B、图9C)包括诸如被训练SMA致动器62a (参见图3B)形式的至少一个被训练形状记忆合金(SMA)工件60a (参见图3B)，所述至少一个被训练形状记忆合金(SMA)工件60a具有大致平面转变行为78 (参见图11)。诸如被训练SMA致动器62a (参见图3B)形式的所述至少一个被训练SMA工件60a被连接到结构164 (参见图8B、图9C)，优选地复合结构165 (参见图8B、图9C)或金属结构或其他合适结构。结构164响应被训练SMA工件60a ( 如被训练SMA致动器62a)的温度变化优选是可调整的。
[0070]如自适应结构的结构164优选包括飞行器10 (参见图1、图2)中的结构翼梁30(参见图1)、结构翼梁44 (参见图2)或结构翼梁224 (参见图8B)。结构翼梁30 (参见图1)、结构翼梁44 (参见图2)或结构翼梁224 (参见图8B)优选具有闭合横截面，且如图8B中所示，包括至少两个被训练形状记忆合金(SMA)工件60a，如被训练SMA致动器62a，其中如被训练SMA致动器62a的被训练SMA工件60a基本彼此相反地布置。所述至少一个被训练SMA工件60a优选包括被训练SMA致动器62a (参见图8B)，被训练SMA致动器62a被嵌入结构164 (参见图SB)中且被优选地配置成影响结构164的空气动力表面。所述至少一个被训练SMA工件60a被优选地集成到被训练形状记忆合金(SMA)致动器62a (参见图8B、图9C)中，被训练形状记忆合金(SMA)致动器62a可被粘接(参见图SB)、机械附接(参见图9C)、焊接、熔合或其他适当方式被连接到结构164且影响结构164的形状。通过施加力偶76 (参见图11)到如被训练SMA致动器62a的SMA工件60 (参见图3A)，以施加大致平面转变行为78 (参见图11)到如被训练SMA致动器62a的SMA工件60，且通过施加热循环82(参见图11)到如被训练SMA致动器62a的SMA工件60，以产生将如SMA致动器62的SMA工件60的形状从基本矩形形状75a (参见图3A)改变为基本平行四边形形状77a (参见图3B)的斜变运动79 (参见图3A、图3B)，优选训练如被训练SMA致动器62a的所述至少一个被训练SMA工件60a。
[0071]优选地，如自适应结构的结构164具有空气动力表面。结构164可包括如飞机11(参见图1)的飞行器10 (参见图1)的机翼14、16 (参见图1)的结构翼梁30 (参见图1)或结构翼梁30的一部分、如飞机11 (参见图1)的飞行器10 (参见图1)的机翼16 (参见图1)的表面、如旋翼机34 (参见图2)的飞行器10 (参见图2)的旋翼桨叶40 (参见图2)的结构翼梁44 (参见图2)或结构翼梁44的一部分、如旋翼机34的飞行器10 (参见图2)的旋翼桨叶40 (参见图2)的表面、飞机11 (参见图1)的尾翼20 (参见图1)、飞机11 (参见图1)的尾翼20 (参见图1)的表面、翼面或者其他航空或非航空结构、组件和元件中的一个，包括地面结构和基于地面的交通工具、基于水的结构和其他交通工具。所嵌入的被训练SMA致动器62a可施加力在结构164上，且可影响、驱动或控制结构164的如致动形状的形状，该结构164如机翼14、16的结构翼梁30或旋翼桨叶40的结构翼梁44，这又可以分别控制机翼14、16或旋翼桨叶40的致动形状。被训练SMA致动器62a可被粘接到结构164(参见图6)，或者被训练SMA致动器62a可被机械地附接到结构164 (参见图9A至图9C)。
[0072]图5示出诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a，其已经被训练且已经被修剪成用于集成到结构164，如旋翼桨叶40 (参见图2)的结构翼梁44 (参见图2)。致动器框架件162可由被训练SMA工件60a (如被训练SMA致动器62a)修剪而成，且可被移除，使得被训练SMA工件60a (如被训练SMA致动器62a)可例如经由机械附接被连接到结构164，如结构翼梁44 (参见图2)。被训练SMA工件60a (如被训练SMA致动器62a)也可被修剪和加工成用于粘接到结构164 (参见图6)，优选复合结构165、金属结构或其他合适结构。
[0073]图6是诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的实施例的放大平面图的图示，该SMA工件60在训练之前且在安装到训练设备部件100 (参见图4)之前被粘接到复合结构164，以形成粘接的复合结构165a (也参见图11)。如果SMA工件60已经在训练之前被粘接到结构164，则结构164可被切割成叠层到组件部分中。图6示出诸如SAM致动器62形式的SMA工件60且示出结构164，其中该SMA工件60具有第一端64、第二端66、第一边缘68和第二边缘70，该结构164包括第一结构166a和第二结构166b，第一结构166a具有附接边缘168a和非附接边缘170a，第二结构166b具有附接边缘168b和非附接边缘170b。如图6中所示，诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的第一边缘68可被粘接到第一结构166a的附接边缘168a，且诸如SMA致动器62的SMA工件60的第二边缘70可被粘接到第二结构166b的附接边缘168b。第一结构166a和第二结构166b中的每个均可包括结构接口开口 172。图6进一步示出延伸的粘接区域174，其中诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的第一边缘68和第二边缘70可更远地延伸过结构164。
[0074] 图7A至图7G示出诸如训练变体180a_180f形式的各种训练变体180的实施例。图7A是本公开的诸如训练变体180a形式的训练变体180的实施例的平面图的图示。图7A示出基线法，其中SMA工件60 (例如SMA致动器62)的第一边缘68和第二边缘70由诸如夹具118形式的保持元件116保持或夹持。第一自由区域182和第二自由区域184未被保持或夹持且是自由的。整个SMA工件60 (如SMA致动器62)可在训练期间被加热。图7A进一步示出沿被夹持的第二边缘70的施加力186a，且示出沿被夹持的第一边缘68的反作用力188a。在训练期间的施加力186a会一直存在且大小基本恒定。如图7A中所示，SMA工件60的第二表面74覆盖有加热元件124，包括第一自由区域182和第二自由区域184。在该基线法中，SMA工件60 (如SMA致动器62)被训练，且当被结合到结构164 (参见图6)(优选复合结构165 (参见图6))内时，结构164可优选地根据被训练的SMA工件(如被训练SMA致动器62a (参见图3B))如何影响或驱动结构164的形状而移动。施加力186a指示出被施加到线性滑动装置114 (参见图4)的力。
[0075]图7B是本公开的训练变体180b形式的训练变体180的另一实施例的平面图的图示。图7B示出训练变体180b，其中SMA工件60 (例如SMA致动器62)的第一边缘68和第二边缘70由诸如夹具118形式的保持元件116保持或夹持。在此训练变体180b中，如图7B中所示，除了未被加热的第一自由区域182和第二自由区域184以外，SMA工件60 (如SMA致动器62)覆盖有加热元件124。因为第一自由区域182和第二自由区域184在训练期间未被加热，所以第一自由区域182和第二自由区域184及第一端64和第二端66不会与覆盖有加热元件124的中间部分那样致动。图7B进一步示出沿被夹持的第二边缘70的施加力186b，且示出沿被夹持的第一边缘68的反作用力188b。在训练期间的施加力186b会一直存在且大小基本恒定。在此训练变体180b中，热并未在第一自由区域182和第二自由区域184处施加，以减少这些自由区域中和附近的应力。
[0076]图7C是本公开的训练变体180c形式的训练变体180的又一实施例的平面图的图示。图7C示出训练变体180c，其具有诸如柔性材料196形式的框架元件194，且其中SMA工件60 (例如SMA致动器62)的第一端64、第二端66、第一边缘68和第二边缘70由诸如夹具118形式的刚性保持元件116保持或夹持，该保持元件116形成围绕框架元件194的柔性夹具。在此训练变体180c中，如图7C中所示，整个SMA工件60 (如SMA致动器62)覆盖有加热元件124，但由柔性材料196形成的框架元件194未被加热。框架元件194包围SMA工件60，如SMA致动器62，且所述一个或更多个刚性保持元件116 (如刚性夹具118)形成围绕框架元件194的柔性夹具。虽然整个SMA工件60 (如SMA致动器62)可被加热，但是SMA工件60 (如SMA致动器62)上的负载可被柔性夹具控制。柔性产生所需的应变轮廓98(参见图11)或匹配所嵌入的结构柔性。柔性材料196可用于诸如训练变体180a-180f形式的训练变体180的任何实施例，如图7A-7G中所示。在一些实施例中，以非均匀方式施加沿边的斜变负载80是可取 的。这可以通过非均匀夹持SMA工件60 (如SMA致动器62)而实现。例如，可夹持或不夹持第一边缘68 (参见图3A)、第二边缘70 (参见图3A)、第一端(参见图3A)和/或第二端66 (参见图3A)的离散部分，和/或可采用以非均匀或特定方式在SMA工件60的训练期间传输施加力186或负载(如施加力186a-186e (参见图7A-7E)或负载的形式)的材料或结构。
[0077]图7C进一步示出沿被夹持的第二边缘70的施加力186c，且示出沿被夹持的第一边缘68的反作用力188c。在训练期间的施加力186c会一直存在且大小基本恒定。图7C进一步示出沿第一端64的反作用力190和沿第二端66的反作用力192。在图7C中所示的训练变体180c中，虽然整个SMA工件60 (如SMA致动器62)被加热，但是力未被施加通过诸如刚性夹具118形式的刚性保持元件116。
[0078]图7D是本公开的训练变体180d形式的训练变体180的又一实施例的平面图的图示。在此替代训练变体180d中，图7D示出基线法，其中SMA工件60 (例如SMA致动器62)的第一边缘68和第二边缘70由诸如夹具118形式的保持元件116保持或夹持。第一自由区域182和第二自由区域184未被保持或夹持且是自由的。整个SMA工件60 (如SM致动器62)可被加热，但第一自由区域182和第二自由区域184可在训练完成之后被过度加热，以除去训练产生的应变致动。图7D进一步示出沿被夹持的第二边缘70的施加力186d，且示出沿被夹持的第一边缘68的反作用力188d。在训练期间的施加力186d会一直存在且大小基本恒定。在此训练变体180d中，SMA工件60 (如SMA致动器62)被训练，且当被结合到结构164 (参见图6)(优选复合结构165 (参见图6))内时,结构164将优选地根据被训练SMA工件60a (如被训练SMA致动器62a (参见图3B))如何影响或驱动结构164的形状而移动。施加力186d指示出被施加到线性滑动装置114 (参见图4)的力。
[0079]图7E是本公开的训练变体180e形式的训练变体180的又一实施例的平面图的图示。图7E示出替代训练变体180e，其中SMA工件60 (例如SMA致动器62)的第一端64、第二端66、第一边缘68、第二边缘70由诸如夹具118形式的保持元件116保持或夹持。然而，角部分204包括铰链部分198，其形成基本四杆联动装置。在此实施例中，可沿SMA工件60 (如SMA致动器62)的短端、长边缘或者短端和长边缘二者施加负载。短端负载施加包括施加负载到短端，如第一端64 (参见图7E)和第二端66 (参见图7E)。长边缘负载施加包括施加负载到长边缘，如第一边缘68 (参见图7E)和第二边缘70 (参见图7E)。图7E示出沿被夹持的第一端64的施加力186e，且示出沿被夹持的第二端66的反作用力188e。此外，沿第二边缘70的反作用力200和沿第一边缘68的反作用力202被示于图7E中。在训练期间的施加力186e会一直存在且大小基本恒定。施加力186e或负载在此替代训练变体180e中较小，且替代训练变体180e可简化非常长的SMA工件60 (如SMA致动器62)的构造。这对于训练需要非常大的训练负载的非常长致动器是可取的。一种训练长致动器的方法被示于图7E中。可使用较小负载，因为该较小负载被施加到SMA工件60(如SMA致动器62)的较短侧。铰链部分198和夹具118可用于限制SMA工件60，如SMA致动器62。
[0080]图7F是本公开的训练变体180f形式的训练变体180的又一实施例的分解侧视图的图示。图7G是本公开 的图7F的训练变体180f的装配侧视图的图示。图7F示出替代训练变体180f，其中SMA工件60(例如SMA致动器62)被夹在挠度限制器206a、206b之间，如金属板、压板或其他合适夹裹装置的形式。挠度限制器206a、206b为限制SMA工件60 (例如SMA致动器62)在训练期间的波度或波形形状243 (参见图10)的高度或范围优选地提供了波度挠曲或平面外挠曲。挠度限制器206a、206b适应SMA工件60 (例如SMA致动器62)的运动，且在任何波度形成之前支撑在SMA工件60 (例如SMA致动器62)上。如图7F、图7G中所示，当训练变体180f处于装配位置208 (参见图7G)时，挠度限制器206a被配置施加一个施加力(F施加)到SMA工件60 (例如SMA致动器62)的第一表面72，且当训练变体180f处于装配位置208 (参见图7G)时，挠度限制器206b被配置施加一个施加力(Fittn)到SMA工件60 (例如SMA致动器62)的第二表面74。在训练期间的施加力(Fittn)会一直存在且大小基本恒定。另外，上述在图7A-7E中所示和讨论的训练变体180a-180e的任何实施例也可用于图7F、图7G中所示的挠度限制器206a、206b。
[0081]在本公开的另一实施例中，提供了一种用于结构164 (参见图6))优选复合结构165 (参见图6))的形状记忆合金(SMA)致动器62 (参见图3A)。SMA致动器62可包括被训练形状记忆合金(SMA)工件60a (参见图3B)。被训练SMA工件60a (图3B)优选包括形状记忆合金(SMA)工件60 (参见图3A)，其已经被预加工且其已经通过施加热循环82 (参见图11)和应变循环84 (参见图11)到SMA工件60以通过产生斜变运动79 (参见图3A-3B)而施加转变行为到SMA工件60从而将SMA工件60的形状从基本矩形形状75a(参见图3A)变为基本平行四边形形状77a(参见图3B)而被训练。被训练SMA工件60a可被集成到SMA致动器62中。SMA致动器62可被嵌入结构164内，以影响结构164的形状。优选地，预加工的SMA工件60 (参见图3A)经由热机械加工被训练，其中应变循环84 (参见图11)包括施加应变到SMA工件60的沿边的斜变负载80 (参见图11)，其中该应变可通常表征为剪切应变。优选地，至少一个加热元件124 (参见图5)被热连接到SMA工件60的至少一部分，以改变SMA工件60的温度。施加到SMA工件60的热导致SMA工件60以斜变运动79移动。
[0082]通过热处理和成形SMA工件60、切割SMA工件60成所需形状和尺寸以及对SMA工件60进行机加工、化学加工、切割、表面处理、表面精加工、粘接、涂层、电镀、抛光、添加接口开口和紧固件开口或者其他合适预加工中的一个或更多个预加工，可预加工SMA工件60。优选地，结构164包括飞机11 (参见图1)的机翼14、16 (参见图1)的结构翼梁30 (参见图1)或结构翼梁30的一部分、飞机11 (参见图1)的机翼16 (参见图1)的表面、旋翼机34 (参见图2)的旋翼桨叶40 (参见图2)的结构翼梁44 (参见图2)或结构翼梁44的一部分、旋翼机34的旋翼桨叶40 (参见图2)的表面、飞机11 (参见图1)的尾翼20 (参见图1)、飞机11 (参见图1)的尾翼20 (参见图1)的表面、翼面或其他航空和非航空结构、组件和元件中的一个，包括地面结构和基于地面的交通工具、基于水的结构和其他交通工具。优选地，结构164具有空气动力表面。具有被训练SMA工件60a的所嵌入SMA致动器62可影响、驱动或控制结构164的形状(如致动形状)，该结构164如机翼14、16的结构翼梁30或旋翼桨叶40的结构翼梁44，这又分别控制机翼14、16或旋翼桨叶40的致动形状。SMA致动器62可被粘接到结构164 (参见图6)，SMA致动器62可被机械地附接到结构164 (参见图9A-9C)，或SMA致动器62可被焊接、熔合或其他方式适当地连接到结构164。
[0083]在本公开的另一实施例中有系统222 (参见图8B)，其影响飞机11 (参见图1)的机翼14、16 (参见图1)或旋翼机34 (参见图2)的旋翼桨叶40 (参见图2)的形状，或飞行器10的其他合适翼面或空气动力表面的形状。系统222包括结构翼梁224，如图8B中所示，其可用于飞机11 (参见图1)的机翼14、16 (参见图1)或旋翼机34 (参见图2)的旋翼桨叶40 (参见图2)中，或用于其他飞行器10 (参见图1、图2)或结构中。结构翼梁224优选具有可集成到结构翼梁224中的一个或更多个形状记忆合金(SMA)致动器部件210 (参见图8A)。每个SMA致动器部件210包括至少一个被训练SMA致动器62a (参见图8A-图8B)，其被嵌入在至少一个结构164 (参见图8A-图8B)内，优选地复合结构165 (参见图8A、图8B)内。系统222进一步包括诸如热电模块(TEM) 214 (参见图8A-8C)形式的温度控制系统123 (参见图5、图11)，其被附接到结构翼梁224，以控制所述至少一个被训练SMA致动器62a的温度。系统222进一步包括至少一个加热元件124(参见图5、图11)，其施加热到所述至少一个被训练SMA致动器62a，以导致结构翼梁224影响飞机11 (参见图1)的机翼14、16 (参见图1)或旋翼机34 (参见图2)的旋翼桨叶40 (参见图2)的形状。所述至少一个被训练SMA致动器62a优选地为了以慢的空气速度增加升力而扭转机翼14、16 (参见图1)或旋翼桨叶40 (参见图2)，且为在向前飞行期间改进燃料性能而不扭转机翼14、16(参见图1)或旋翼桨叶40 (参见图2)。如下面详细讨论，系统222的每个SMA致动器部件210可包括热电模块(TEM) 214 (参见图8C)、连接TEM214到被训练SMA致动器62a的热连接器216 (参见图8D)、耦合到TEM214的一个或更多个弹性体部分218以及耦合到TEM214的热沉220。
[0084]图8A是形状记忆合金(SMA)致动器部件210的放大透视侧视图的图示，其中被训练SMA工件60a (如被训练SMA致动器62a)的实施例由本公开的方法300 (参见图12)的实施例之一训练。被训练SMA工件60a (如被训练SMA致动器62a)被示为被嵌入到结构164的狭槽212中。结构164 (如复合结构165形式)可被机加工成允许与旋翼桨叶40 (参见图2)的结构翼梁224 (参见图8B)(如有源结构翼梁)粘接的形状。
[0085]如图8A、图SC中所示，形状记忆合金(SMA)致动器部件210可进一步包括一个或更多个热电模块(TEM)214，其可用于加热和冷却被训练SMA致动器62a的形状记忆合金材料，例如，NiTinol。图8C是图8A的虚线圆8C的放大透视图的图示，其示出热电模块(TEM)214。如图8C中所示，TEM214可包括附接到电流输出部分230的热泵热电耦部分228。如图8A中所示，TEM214可在一侧上附接到热沉220，且在另一侧上热连接到如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a。
[0086]如图8A、图8D中所示，形状记忆合金(SMA)致动器部件210可进一步包括热连接器216。热连接器216可用于提供在TEM214和如被训练SMA致动器62a的被训练SMA工件60a之间的热连接和热传导。图8D是图8A的虚线圆8D的放大局部透视图的图示，其示出热连接器216。如图8D中所示，热连接器216可包括被附接到基片236的纤维部分232。纤维部分232可包括柔性纤维材料234，例如，碳纤维材料、碳丝绒材料或其他合适柔性纤维材料。基片236可由乙烯基材料、环氧材料、复合材料、金属材料或其他合适基质材料组成。热连接器216可被 定位在如被训练SMA致动器62a的被训练SMA工件60a的形状记忆合金材料和TEM214之间，且允许在它们之间运动。
[0087]如图8A中所示，形状记忆合金(SMA)致动器部件210可进一步包括一个或更多个弹性体部分218或可用于闭合SMA致动器部件210顶部的其他柔性结构或材料。可替代地，移动TEM214是有利的。例如，TEM214可被移动到如被训练SMA致动器62a的被训练SMA工件60a的形状记忆合金材料的内面，或者可被附接到如被训练SMA致动器62a的被训练SMA工件60a的形状记忆合金材料的非移动嵌入部分。
[0088]图8B是被集成到结构翼梁224的图8A的SMA致动器部件210的放大透视侧视图的图示，其可用于旋翼机34 (参见图2)的旋翼桨叶40 (参见图2)中或可用于飞机11 (参见图1)的机翼14、16(参见图1)中。被训练SMA致动器62a可以为了以慢的空气速度增加升力而扭转旋翼桨叶40，且可以为了在向前飞行期间改进燃料性能而不扭转旋翼桨叶40。如图8B中所示，如果TEM214朝向磨损条226移动，则磨损条226可用作热沉220，或者磨损条226可被添加到热沉220。温度传感器128 (参见图5)可被粘接到被训练SMA工件60a的形状记忆合金材料上或在接近诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a的形状记忆合金材料的区域中的结构164 (参见图6)。如果需要测量应变，则可使用能够感测温度和应变二者的嵌入式光纤传感器(未示出)，以及应变计和热电偶。
[0089]机械附接的机械复合结构165b的示例被示于图9A-9C中。图9A是在机械附接和集成之前诸如包括第一结构166a和第二结构166b的结构164 (优选复合结构165 (参见图9A))和诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a的实施例之一的放大局部视图的图示。图9B是在由安装操作员238进行机械附接和集成期间所示的诸如包括第一结构166a和第二结构166b的结构164和诸如被训练SM致动器62a形式的被训练SM工件60a的放大局部视图的图不。
[0090]如图9A-9B中所示，诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a可滑动通过结构164的狭槽212，其中被训练SMA工件60a的第一表面72 (参见图9B)面朝上。图9A示出具有加热元件124、温度传感器128和热元件导线130的被训练SMA工件60a的第二表面74，以及紧固件开口 158和接口开口 160。如图9A-9B中进一步所示，如第一结构166a和第二结构166b形式的结构164具有狭槽212和结构接口开口 172。如图9B中所示，当如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a被机械附接到结构164以形成机械附接的机械复合结构165b时，诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a被优选地插入通过结构164的狭槽212，且在诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a的外接口区域156 (参见图9A)上的接口开口 160被优选地与结构164的结构接口开口 172对准。已知的机械紧固件(未示出)可被插入通过对准的接口开口 160 (参见图9A)和结构接口开口 172 (参见图9A)，且可用于将诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a机械附接到结构164，以形成机械附接的机械复合结构165b (参见图9A)。此类已知机械紧固件可被进一步用于将机械附接的机械复合结构165b机械附接到结构翼梁224 (参见图9C)。
[0091]图9C是结构164和诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a的侧视图的图示，该结构164和被训练SMA工件60a形成图9A-9B的机械附接的机械复合结构165b，该机械附接的机械复合结构165b被示为在机械附接和集成之后且被示为被集成到结构翼梁224，如有源复合结构翼梁。
[0092]对于诸如分别是SMA致动器62或被训练SMA致动器62a形式的SMA工件60或被训练SMA工件60a的实施例，SMA工件60或被训练SMA工件60a的形状可优选地用放电加工(EDM)装置切割成任何形 状或尺寸(例如，矩形、椭圆形或其他合适形状)，以实现为致动器。如果具有训练设备部件100 (参见图4)的适当训练系统90 (参见图11)被设计，则这可以在热机械加工之后或在热机械加工之前完成。与其中涉及大切割力的已知切割装置或过程相比，可优选使用EDM切割装置和过程来最小化SMA工件60或被训练SMA工件60a中的任何残余应力。大致动力会要求较大SMA工件60。较大SMA工件60会要求更多功率或更长时间来致动。SMA工件60的横截面形状可被设计成最小化所要求的总形状记忆合金材料，以适合紧密或紧凑空间，且以产生所需的致动力和应变。SMA工件60可被平坦地放置在结构164 (参见图9C)中，或被模塑成符合结构164的形状。
[0093]诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的另一实施例被示于图10中。图10是波状形状SMA致动器240和附接的结构164 (优选复合结构165)的实施例的放大平面图的图示。图10示出具有SMA工件60的波状形状SMA致动器240，该SMA工件60具有波状变形242，如以波状形状243的形式。如本文所用，“波状形状”是指起涟漪或起皱效应。当负载被施加到诸如SMA致动器62形式的SMA工件60时，产生波状形状SMA致动器240的波状形状243。如图10中所示，如SMA致动器62形式的SMA工件60可经由粘接或机械附接或其他合适附接方法被附接到结构164。如图10中进一步所示，SMA工件60的第一边缘68可被附接到第一复合结构166a，SMA工件60的第二边缘70可被附接到第二复合结构166b。此外，沿第二边缘70和第二复合结构166b施加施加力244，且反作用力246反作用于沿第一边缘68和第一复合结构166a。
[0094]如图10中所示，波状形状SMA致动器240的应变性能可被测量为在抵抗负载(如施加力244)工作/做功时所实现的致动应变百分比。可通过增加SMA工件60的厚度或长度来增加负载96 (参见图11)。如图10中所示，可通过增加SMA工件60的宽度(w) 250来增加位移输出(ΛΧ) 248。可通过使用非均匀横截面(如图10中所示的波状形状SMA致动器240的非均匀横截面)来增加位移或应变百分比。当波状形状SMA致动器240被加热时，波状形状243 (图10)的波部分地变平，从而导致更大运动。此类型的波状形状SMA致动器240可通过将SMA工件60置于足以导致屈曲的高负载下而被形成，或者可在SMA工件60的热处理和成形期间被形成。非矩形横截面可用于构建可在屈曲之前承受较高负载的SMA工件60。紧固件开口 158 (参见图5)和接口开口 160 (参见图5)也可以被添加到波状形状SMA致动器240，以在训练设备部件100 (参见图4)中固定诸如SMA致动器62形式的SMA工件60，或在结构164 (如结构翼梁30 (参见图1)、结构翼梁44 (参见图2)、结构翼梁224 (参见图8B)或其他合适结构)中固定诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件 60a。
[0095]诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的致动响应时间可取决于所施加的热和形状记忆合金传热的能力。典型的形状记忆合金最小地传热。例如，NiTinol的导热性比铝小近似25倍。SMA工件60的响应时间对于每单位面积所施加的给定热能输出而言会是较快的，因为SMA工件60块可被分配成薄片。可有更多面积来施加热，且将热转移到SMA工件60中会需要更少时间，因为SMA工件60是薄的。SMA工件60可优选为多孔的，以提高力与重量比，且这可以减少加热/冷却时间。
[0096]可采用狭窄加热带，以加速响应时间。如本文所用，术语“加热范围”是指在温度域中完全地从马氏体相86 (参见图11)转变为奥氏体相88 (参见图11)所需要的温度变化。可看出NiTinol的 最快速转变在仅要求小温度增加的20%至80%的致动范围内，因为大部分热可用于相变中。因此,如果如SMA致动器62 (参见图4)形式的SMA工件60被保持成接近10%至20%的部分转变机制直到命令完全转变，则快速施加热直到如SMA致动器62 (参见图4)形式的SMA工件60达到80%至90%转变，可以看到适度的致动。
[0097]通过使用多个被训练SMA致动器62a或通过加热/冷却仅一部分的形状记忆合金材料，可实现对被训练SMA致动器62a的形状控制。例如，放置在结构164的多个被训练SMA致动器62a可彼此独立地被致动。每个被训练SMA致动器62a可产生结构164或其所在的其他结构的局部弯曲或扭转。通过致动被训练SMA致动器62a的不同组合，可产生各种变形形状。可替代地，单个被训练SMA致动器62a可被加热使得被训练SMA致动器62a中可产生温度变化125 (参见图11)，如温度梯度。被训练SMA致动器62a中产生的应变程度94 (参见图11)可取决于局部温度。控制温度变化125 (如以温度梯度的形式)可允许对在被训练SMA致动器62a上的应变轮廓98 (参见图11)的控制。这可以允许对结构164(参见图11)或嵌入有被训练SMA致动器62a的其他结构的形状的控制。
[0098]如上面所讨论的，图11示出可用于训练诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的训练系统90，其具有负载96和应变轮廓98。如图11中所示，训练系统90进一步包括训练变体180(也参见图7A-7G)。如图11中所示，训练系统90进一步包括结构164(参见图6)，如复合结构165，该复合结构165可包括粘结的复合结构165a (参见图6)和机械复合结构165b (参见图9B)。如图11中所示，训练系统90进一步包括训练设备部件100 (也参见图4)，其具有负载施加装置102 (也参见图4)，如冲压装置104或线性致动器105。如图11中所示，训练系统90进一步包括滑动装置112 (也参见图4)，如以线性滑动装置114 (参见图4)的形式。一个或更多个施加负载186 (参见图11)可由负载施加装置102 (参见图4、图
11)施加到线性滑动装置114 (参见图4)。
[0099]如图11中所示，训练系统90进一步包括如夹具118 (参见图4)形式的两个或更多个保持元件116，以保持诸如SMA致动器62形式的SMA工件60在训练设备部件100中。由于所述一个或更多个施加负载186从负载施加装置102施加到线性滑动装置114 (参见图4)，所以保持元件116可以反作用于来自线性滑动装置114 (参见图4)的一个或更多个反作用负载188 (参见图11)。
[0100]如图11中所示，训练系统90进一步包括温度控制系统123 (也参见图5)，其包括一个或更多个加热元件124且用于控制温度变化125 (图11)和热循环82 (参见图11)。如图11中所示，训练系统90进一步包括控制器装置132 (也参见图5)，该控制器装置132包括计算机装置134，该计算机装置134可包括用于运行和处理软件138的处理单元136。
[0101]如图11中所示，训练系统90进一步包括性能测量系统92，该性能测量系统92包括性能测量元件140 (也参见图4)，该性能测量元件140优选测量诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的运动和性能。由该运动产生的应变94 (参见图11)可被性能测量元件140测量。当训练完成时，可通过加热和冷却激活诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a，且可使用性能测量元件140 (参见图11)测量诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a的性能108 (参见图11)，并且可记录和分析性能测量110 (参见图 11)。
[0102]任何数量的其他系统可被包括。虽然示出了航空示例，但是本公开的原则可应用于其他行业，如汽车行业。
[0103]与现有方法和系统相比，方法300 (参见图12)和训练系统90 (参见图11)的公开实施例包括以下有利特征:它们提供被训练形状记忆合金(SMA)工件60a(参见图3B)，如被训练SMA致动器62a (参见图3B)，其中被训练形状记忆合金(SMA)工件60a可被连接到优选是复合结构165 (参见图9C)的结构164 (参见图9C)，或可被集成或嵌入到结构164内，其中结构164可包括机翼14、16 (参见图1)的结构翼梁30 (参见图1)或结构翼梁30的一部分、结构翼梁44 (参见图2)或结构翼梁44的一部分或结构翼梁224 (参见图9C)或结构翼梁224的一部分、旋翼桨叶40 (参见图2)或对结构的尺寸和重量有最小影响或无影响的其他空气动力表面；它们提供了对机翼14、16 (参见图1)、旋翼桨叶40 (参见图2)和对结构的尺寸和重量有最小影响或无影响的其他空气动力控制表面的形状的控制；它们提供了制造能够影响结构的如被训练SMA致动器62a的被训练SMA工件60a ;它们提供了集成、分配和控制结构的被致动形状的方法；它们提供了将诸如被训练SMA致动器62a形式的被训练SMA工件60a嵌入空气动力表面；它们提供了采用空气动力结构和以非线性方式改变其形状，且允许变形空气动力表面；它们提供了用于训练诸如SMA致动器62形式的SMA工件60的训练系 统90，且因此，可避免或最小化使用已知电磁致动器和已知形状记忆合金致动器，如SMA扭转管致动器和/或SMA致动器或使用被训练导线、管和板的致动器的组件，这又可以减少该结构和飞行器的重量，且又可以减少飞行器在操作期间所产生的燃料成本。[0104]此外，本公开包括根据下列条款的实施例:
[0105]第I条,一种训练形状记忆合金(SMA)工件的方法,该方法包括:
[0106]施加力偶到形状记忆合金(SMA)工件，以施加大致平面转变行为到该SMA工件，从而获得被训练形状记忆合金(SMA)工件。
[0107]第2条，根据第I条所述的方法，其中施加该力偶包括施加相反力，使得沿边的斜变负载被施加到该SMA工件。
[0108]第3条，根据第I条所述的方法，其中施加该力偶包括施加相反力，使得在该SMA工件中产生波状变形。
[0109]第4条，根据第I条所述的方法，其中施加该力偶包括施加相反力，所述相反力施加大致非波状至波状转变行为到该SMA工件。
[0110]第5条，根据第I条所述的方法，其进一步包括:
[0111]施加热循环到该SMA工件；和
[0112]以循环方式施加该力偶，从而施加基本平面应变循环到该SMA工件，以导致该SMA工件具有该基本平面转变行为。
[0113]第6条，根据第5条所述的方法，其中施加所述热循环包括施加热到该SMA工件，以产生斜变运动，该斜变运动导致该SMA工件的形状从基本矩形形状改变为基本平行四边形形状。
[0114]第7条，根据第I条所述的方法，其进一步包括连接所述被训练SMA工件到一个或更多个结构。
[0115]第8条，根据第7条所述的方法，其中所述一个或更多个结构响应所述被训练SMA工件的温度变化能够改变形状。
[0116]第9条，根据第I条所述的方法，其进一步包括集成所述被训练SMA工件到SMA致动器中，且在飞行器的结构翼梁中嵌入该SMA致动器，以影响该结构翼梁的形状。
[0117]弟10条,一种能够执彳了工作的训练系统，该系统包括:
[0118]形状记忆合金(SMA)致动器，其表现出大致平面转变行为；和
[0119]一个或更多个加热元件，其将该SMA致动器从原始形状转变为被训练形状，从而执行工作。
[0120]第11条，根据第10条所述的系统，其中该形状记忆合金(SMA)致动器进一步包括被训练形状记忆合金(SMA)工件，其表现出大致平面转变行为。
[0121]第12条，根据第10条所述的系统，其中该形状记忆合金(SMA)致动器进一步包括被训练形状记忆合金(SMA)工件，且其中通过施加力偶到SMA工件以施加大致平面转变行为到该SMA工件，训练所述被训练SMA工件。
[0122]第13条，根据第10条所述的系统，其中该系统能够施加运动且由此执行工作。
[0123]第14条，根据第10条所述的系统，其进一步包括训练设备部件，该训练设备部件具有负载施加装置和温度控制系统，该负载施加装置施加沿边的斜变负载到该SMA致动器，并且该温度控制系统控制一个或更多个加热元件且施加温度变化到该SMA致动器，以产生斜变运动，该斜变运动将该SMA致动器的形状从包括基本矩形形状的原始形状变为包括基本平行四边形形状的被训练形状。
[0124]第15条，一种结构，其包括:[0125]至少一个被训练形状记忆合金(SMA)工件，其具有大致平面转变行为，所述至少一个被训练SMA工件被连接到一种结构，该结构响应所述至少一个被训练SMA工件的温度转变是可调节的。
[0126]第16条，根据第15条所述的结构，其中该结构包括飞行器中的结构翼梁。
[0127]第17条，根据第16条所述的结构，其中该结构翼梁具有闭合横截面，且包括基本彼此相反布置的至少两个被训练形状记忆合金(SMA)工件。
[0128]第18条，根据第15条所述的结构，其中所述至少一个被训练SMA工件包括被训练形状记忆合金(SMA)致动器，其被嵌入到该结构中且被配置成影响空气动力表面。
[0129]第19条，根据第15条所述的结构，其中所述至少一个被训练SMA工件被集成到形状记忆合金(SMA)致动器中，该SMA致动器被粘接或机械附接到该结构且被配置成影响该结构的形状。
[0130]第20条，根据第15条所述的结构，其中通过施加力偶到SMA工件以施加大致平面转变行为到该SMA工件，且通过施加热循环到该SMA工件以产生斜变运动，来训练所述至少一个被训练SMA工件，其中该斜变运动将该SMA工件的形状从基本矩形形状改变为基本平行四边形形状。
[0131]与本公开有关的本领域技术人员将想到本公开的许多修改和其他实施例，其具有前述描述和关联附图中所呈现的启示好处。本文所描述的实施例意在是说明性的，且不旨在是局限的或详尽的。虽然本 文采用特定术语，但是这些特定术语仅用于一般性和描述性的意义，而不用于限制的目的。
【权利要求】
1.一种方法，其包括: 施加力偶到形状记忆合金工件，即SMA工件，以施加大致平面转变行为到该SMA工件，从而获得被训练形状记忆合金工件，即被训练SMA工件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述力偶包括施加相反力，使得下列中的至少一个发生: 沿边的斜变负载被施加到该SMA工件； 波状变形在该SMA工件中产生；或 大致非波状至波状转变行为被施加到该SMA工件。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括: 施加热循环到该SMA工件；和 以循环方式施加所述力偶，从而施加大致平面应变循环到该SMA工件，以导致该SMA工件具有所述大致平面转变行为。
4.根据权利要求3所述的方法，其中施加所述热循环包括施加热到该SMA工件，以产生斜变运动，该斜变运动将该SMA工件的形状从基本矩形形状改变为基本平行四边形形状。
5.—种结构,其包括: 具有大致平面转变行为的至少一个被训练SMA工件，所述至少一个被训练SMA工件通过使用权利要求1至4所述的方法中的任何一种被训练，所述至少一个被训练SMA工件被连接到一种结构，该结构响应所述至少一个被训练SMA工件的温度变化是能够调节的。
6.根据权利要求5所述的结构，其中该结构包括飞行器中的结构翼梁。
7.根据权利要求6所述的结构，其中所述结构翼梁具有闭合横截面，且包括基本彼此相反布置的至少两个被训练形状记忆合金工件，即被训练SMA工件。
8.—种能够执行工作的系统，该系统包括: 形状记忆合金致动器，即SMA致动器，其表现出大致平面转变行为；和 一个或更多个加热元件，其将该SMA致动器从原始形状转变成被训练形状，从而执行工作。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述形状记忆合金致动器，即所述SMA致动器，进一步包括表现出所述大致平面转变行为的被训练形状记忆合金工件，即被训练SMA工件。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述形状记忆合金致动器，即所述SMA致动器，进一步包括被训练形状记忆合金工件，即被训练SMA工件，并且其中通过施加力偶到SMA工件以施加所述大致平面转变行为到该SMA工件，训练所述被训练SMA工件。
11.根据权利要求8所述的系统，其中该系统能够施加运动且由此执行工作。
12.根据权利要求8所述的系统，其进一步包括训练设备部件，该训练设备部件具有负载施加装置和温度控制系统，该负载施加装置施加沿边的斜变负载到该SMA致动器，并且该温度控制系统控制所述一个或更多个加热元件且施加温度变化到该SMA致动器，以产生斜变运动，该斜变运动将该SMA致动器的形状从包括基本矩形形状的所述原始形状变为包括基本平行四边形形状的所述被训练形状。
【文档编号】C22F1/00GK104004977SQ201410051043
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2013年2月26日
【发明者】J·K·布朗, G·S·布什内尔, D·J·克林曼 申请人:波音公司