刚度可变、减振与防护一体的舵机外壳及制造、使用方法

1.本发明涉及材料技术领域与水下航行器技术领域，具体涉及一种基于形状记忆聚合物设计的具备一定隔振能力的点阵舵机外壳。该外壳基于形状记忆聚合物加工的点阵结构进行设计，基于材料的独特的感温特性，可以针对环境变化实现大范围刚度变化与调控，具有优异的环境适应性、防护能力与减振效果。


背景技术：

2.海洋作为重要资源储备以及国家安全重要防线，高性能水下航行器尤为重要。航行器作为水下主要作业装备，不论在民用还是军用方面，对其振动水平都有着十分严格的要求。航行器通常用来探测地貌、绘制海底地形，其自身噪声强度会严重影响声呐设备的有效作用距离，直接影响到其作战性能和生存能力。所谓声隐身技术就是航行器通过控制自身声物理场辐射强度，从而使对方声呐的探测效率降低，减小被发现概率。舵机是水下航行器控制系统的重要组成部，也是潜艇噪声的一个重要来源。此外，海洋环境复杂多变，针对性的设计保护装置也极为重要。
3.针对水下航行器减振的迫切需求与复杂的环境条件，当前多采用优化结构设计，附加额外减振于缓冲部件等，或者使用减振台等方式实现减振和缓冲功能；但这种方式会带来额外配件，增加装备体积与质量以及整体复杂度；更重要的是，单一部件难以针对复杂多变的环境条件与振动频率进行实时调控。
4.点阵结构性能优异，材料使用效率高，同时具有多种功能特性；形状记忆聚合物是一种新型功能材料，兼具了塑料和橡胶的特性，在温度改变的情况下能够实现自身性能的大范围变化，同时能够在大应变变形条件下保持材料特性；这些新技术的发展为针对当前减振与保护局限，设计具有实时调控功能的舵机外壳提供了条件。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是针对当前水下航行器领域舵机复杂使用环境所带来的实时调控需求，从当前减振方式的缺陷出发，基于具有温度调控特性的形状记忆聚合物设计点阵结构舵机外壳。这种新型舵机外壳，能够在温度改变的条件下进行外壳性能的改变，实现针对变化载荷与振动的实时响应。
6.本发明的刚度可变、减振与防护一体的舵机外壳，包括由形状记忆聚合物制作的点阵结构的外壳本体、覆盖所述外壳本体的金属蒙皮和用于控制所述金属蒙皮发热的温度控制器；所述温度控制器通过控制金属蒙皮的温度以调节形状记忆聚合物点阵结构的刚度。
7.进一步，所述点阵结构为体心立方点阵，其单胞的边长为2mm，其杆径为0.3mm。
8.本发明还公开了一种制造所述舵机外壳的方法，包括以下步骤：
9.s1.根据使用需求进行点阵结构模型设计；
10.s2.基于设计出的点阵结构单元通过填充、布尔运算与拓扑优化进行舵机外壳的
点阵化设计；
11.s3.基于设计出的舵机外壳点阵化模型，采用形状记忆聚合物打印出舵机外壳本体，然后将外壳蒙皮覆盖于打印出的外壳本体，再将温度控制器与外壳蒙皮电连接实现舵机外壳的整体温度控制。
12.本发明还公开了一种使用所述舵机外壳的方法，包括以下步骤：
13.s1.识别舵机所处的冲击环境或振动环境；
14.s2.当舵机处于小冲击环境或弱振动环境时，所述温度控制器控制舵机外壳整体降温，使舵机外壳刚度增加以提高其结构稳定性；
15.当舵机处于大冲击环境或强振动环境时，所述温度控制器控制舵机外壳整体升温，使舵机外壳刚度降低以提高其缓冲性能。
16.本发明的有益效果为：
17.1、本发明的舵机外壳基于点阵结构设计，点阵结构相较于传统金属实体结构，能够实现整体部件的大幅度减重，提升航行器运行效率；
18.2、本发明的舵机外壳基于形状记忆聚合物加工设计而成，能够针对不同的环境条件、性能需求进行性能切换，满足多种使用场景，实现了冲击防护与减振的功能集成，降低了附加功能部件所带来的结构冗余与复杂度；
19.3.本发明的舵机外壳包含温度控制系统，操作人员能够根据需求，能够完成需求—温度—性能的主动调节流程，相较于传统被动且单一的设计，该设计具有更为广泛的运用前景。
附图说明
20.下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明：
21.图1为体心立方点阵单胞的示意图；
22.图2为舵机外壳点阵化示意图
23.图3为本发明的舵机外壳的结构示意图。
具体实施方式
24.本实施例的舵机外壳，包括由形状记忆聚合物制作的点阵结构的外壳本体、覆盖所述外壳本体的金属蒙皮和用于控制所述金属蒙皮发热的温度控制器；所述温度控制器通过控制金属蒙皮的温度以调节形状记忆聚合物点阵结构的刚度。所述点阵结构为体心立方点阵，其单胞的边长为2mm，其杆径为 0.3mm。
25.本实施例的舵机外壳的制造方法，包括以下步骤：
26.s1.根据使用需求进行点阵结构模型设计；
27.此处以最为常见和基础的bcc点阵结构(体心立方点阵结构)为例，首先使用三维建模软件solidworks进行点阵结构设计，设计点阵单胞边长大小为2mm，其杆径为0.3mm，如图1所示可得bcc单胞结构；
28.s2.基于设计出的点阵结构单元通过填充、布尔运算与拓扑优化进行舵机外壳的点阵化设计；
29.以步骤s1获得的点阵单元为基本单元，通过阵列、改变单胞形态、拓扑优化等多种
方法，对舵机外壳部分或全部位置进行点阵化设计，其点阵化示意图如图2所示；
30.s3.基于设计出的舵机外壳点阵化模型，采用形状记忆聚合物打印出舵机外壳本体，然后将外壳蒙皮覆盖于打印出的外壳本体，再将温度控制器与外壳蒙皮电连接实现舵机外壳的整体温度控制。
31.根据步骤s2中的设计结果，使用形状记忆聚合物完成整体结构打印加工，外部蒙皮则使用金属进行加工，并将其设计为简单电阻温度控制器，最终组合安装即可，结构示意图可见图3(其中标记1为舵机外壳金属蒙皮，标记2 为内部形状记忆聚合物点阵结构，标记3为温度控制系统)。
32.本发明还公开了一种使用所述舵机外壳的方法，包括以下步骤：
33.s1.识别舵机所处的冲击环境或振动环境；
34.s2.当舵机处于小冲击环境或弱振动环境时，所述温度控制器控制舵机外壳整体降温，使舵机外壳刚度增加以提高其结构稳定性；
35.当舵机处于大冲击环境或强振动环境时，所述温度控制器控制舵机外壳整体升温，使舵机外壳刚度降低以提高其缓冲性能。
36.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。


技术特征：
1.一种刚度可变、减振与防护一体的舵机外壳，其特征在于：包括由形状记忆聚合物制作的点阵结构的外壳本体、覆盖所述外壳本体的金属蒙皮和用于控制所述金属蒙皮发热的温度控制器；所述温度控制器通过控制金属蒙皮的温度以调节形状记忆聚合物点阵结构的刚度。2.根据权利要求1所述的舵机外壳，其特征在于：所述点阵结构为体心立方点阵，其单胞的边长为2mm，其杆径为0.3mm。3.一种制造权利要求1-2任一项所述的舵机外壳的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.根据使用需求进行点阵结构模型设计；s2.基于设计出的点阵结构单元通过填充、改变单胞形态、布尔运算和拓扑优化进行舵机外壳的点阵化设计；s3.基于设计出的舵机外壳点阵化模型，采用形状记忆聚合物打印出舵机外壳本体，然后将外壳蒙皮覆盖于打印出的外壳本体，再将温度控制器与外壳蒙皮电连接实现舵机外壳的整体温度控制。4.一种使用权利要求1-2任一项的所述舵机外壳的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.识别舵机所处的冲击环境或振动环境；s2.当舵机处于小冲击环境或弱振动环境时，所述温度控制器控制舵机外壳整体降温，使舵机外壳刚度增加以提高其结构稳定性；当舵机处于大冲击环境或强振动环境时，所述温度控制器控制舵机外壳整体升温，使舵机外壳刚度降低以提高其缓冲性能。

技术总结
本发明公开了一种刚度可变、减振与防护一体的舵机外壳，包括由形状记忆聚合物制作的点阵结构的外壳本体、覆盖所述外壳本体的金属蒙皮和用于控制所述金属蒙皮发热的温度控制器；所述温度控制器通过控制金属蒙皮的温度以调节形状记忆聚合物点阵结构的刚度。本发明的舵机外壳基于形状记忆聚合物点阵结构设计加工而成，能够根据温度变化进行实时的刚度改变，进而实现主动性的大范围冲击防护与大范围频率隔振，实现了结构功能一体化，极大地降低了整体质量与结构复杂度。整体质量与结构复杂度。整体质量与结构复杂度。


技术研发人员：柏龙 陈晓红 孙园喜 胡明金
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.01.24
技术公布日：2022/6/10