非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 现有小卫星太阳能帆板的展开用铰链，在展开过程中由于选用材料和结构设计不 合理原因，由于铰链本身应力无法被控制或抵消，导致使铰链在展开过程中移位和控制不 准确问题，影响设备后续工作的正常进行。现有展开铰链多为机械展开铰链，采用电机进行 驱动展开，结构只能单向伸展，收缩结构不紧凑，结构复杂，技术难度大，铰链的价格很高， 发射质量较大；铰链展开大多为固定角度，同时展开过程中存在本体振动问题，对太阳能帆 板等产生影响。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决现有小卫星太阳能帆板的展开用铰链成本高、且铰链本 身应力无法被控制或抵消，导致使铰链在展开过程中移位和控制不准确的问题，而提出一 种非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链及其制作方法。
[0004] 一种非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，其组成包括：圆管，所述圆管的弯折 段管壁上并排设置两个腰形孔，每个腰形孔沿圆管轴线方向延长，圆管的弯折段管壁被分 割形成主弯折薄壳和副弯折薄壳，主弯折薄壳的横截面所在的圆弧为优弧，副弯折薄壳的 横截面所在的圆弧为劣弧，主弯折薄壳与副弯折薄壳之间相对侧的内壁上设置两根阻尼弹 黄；
[0005] 圆管的两个延伸段与W折板相对应的一端固定连接；
[0006] 圆管的一个末端通过A锁块固定安装A锁条，且A锁条表面具有卡槽，圆管的另一 个末端通过B锁块固定安装B锁槽，B锁槽内部插装两块电磁铁，每块电磁铁分别连接卡头 和电源接头，A锁条与卡头配合形成阶梯式扣锁；其中，
[0007] 圆管弯折段展开后，两延伸段中轴线夹角为α，90°彡α彡180° ;
[0008] 圆管弯折后形成U形的管状铰链存储的稳定展开力矩M是圆心角Q1对应的 主弯折薄壳的弯折力矩与圆心角θ2对应的副弯折薄壳的弯折力矩之和，表达式为：
式中，M表示管状铰链存储的稳定展开力矩，E 表示圆管弹性模量，t表示圆管厚度，V表示圆管泊松比，Q1表示圆管未弯折时主弯折薄 壳的横截面所在的优弧对应的圆心角，Θ 2表示圆管未弯折时副弯折薄壳的横截面所在的 劣弧对应的圆心角。
[0009] 一种非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链的制作方法，所述方法通过以下步骤实 现：
[0010] 步骤一、采用两层碳纤维分别与预成型的圆管的轴线成0°和90°的方式复合；
[0011] 步骤二、设计圆管的弯折段上腰形孔的穿孔方法：
[0012] 在圆管中部弯折段穿两个腰形孔，令腰形孔的延长方向与圆管的中轴线平行，且 腰形孔的腰长L至少是腰形孔的宽度d的3倍，即L彡3d，且D>d ;
[0013] 步骤三、弯折段主弯折薄壳、副弯折薄壳的非对称设计：
[0014] 圆管中部弯折段穿两个腰形孔后形成主弯折薄壳和副弯折薄壳，主弯折薄壳的横 截面所在的优弧的高度Wo,至少是副弯折薄壳的横截面所在的劣弧的高度的1. 5倍，Bp : D>Wo多I. 5Wi，主弯折薄壳作为外弯侧，副弯折薄壳作为内弯侧，以圆管弯折段中部的主弯 折薄壳外壁为中心，主弯折薄壳包裹副弯折薄壳进行弯折，形成U型；
[0015] 步骤四、在弯折段的主弯折薄壳与副弯折薄壳之间相对侧的内壁上设置两根阻尼 弹黄；
[0016] 步骤五、圆管的一个末端通过A锁块固定安装A锁条，且A锁条表面具有卡槽，圆 管的另一个末端通过B锁块固定安装B锁槽，B锁槽内部插装两块电磁铁，每块电磁铁分别 连接卡头和电源接头，A锁条与卡头配合形成阶梯式扣锁；控制铰链展开；
[0017] 步骤六、确定圆管铰链展开角度：
[0018] 在圆管两个延伸段的外壁之间通过法兰固定安装W折板，两个法兰在两个延伸 段的固定点分别为点O1和点〇2, W折板展开长度1为点O1和点〇2之间的直线距离，即： /二5^；; W折板的展开部位具有阻尼，控制管状铰链展开速度，以及展开后的给定角度； 并通过设定W折板的长度实现铰链展开形成不同角度，设计展开特定角度90° -180° ;
[0019] 步骤七、确定管状铰链稳定展开力矩M与弯折后主弯折薄壳外壁对应形成的圆心 角S1和弯折后副弯折薄壳外壁对应形成的圆心角Θ 2之间的关系为表达式：
式中，M表示管状铰链稳定展开力矩， E表示圆管弹性模量，t表示圆管厚度，V表示圆管泊松比，Q1表示弯折后主弯折薄壳外壁 对应形成的圆心角，Θ 2表示弯折后副弯折薄壳外壁对应形成的圆心角。
[0021] 本发明的有益效果为：
[0022] 本发明是设计一种用于太空展开装置如小卫星太阳能帆板的展开的低成本铰链， 该铰链采用碳纤维复合材料圆管经过弯曲折叠后加以固定，通过碳纤维复合材料管本身存 在的实现自动、可控、阻尼行展开需要的应力。当教练具有压紧具有应力后，通过铰链两端 有异性的A锁块与B锁块之间的引力与弯折后回复力矩相平衡，当需要展开时，使两端电磁 铁引力消失，铰链运动展开，并且由圆管两端的延伸段外壁设置的W折板控制角度展开速 度和角度展开的程度，逐步释放回弹角度。圆管内部，主弯折薄壳与副弯折薄壳之间相对侧 的内壁上设置两根阻尼弹簧，起到展开过程平衡薄柱壳回复力矩的作用，使整个管状铰链 具有展开过程平稳、操作简单、成本低、工作可靠和精度高的优点。
[0023] 同时，铰链采用多展开角度设计方法，同时引入阻尼结构降低展开过程中的振动， 增加使用寿命寿命长。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明涉及的具有腰形孔的圆管；
[0025] 图2为本发明涉及的圆管弯折成管状铰链的结构示意图；
[0026] 图3为本发明涉及的圆管铰链展开成90°构型的结构示意图；
[0027] 图4为本发明涉及的圆管铰链展开成120°构型的结构示意图；
[0028] 图5为本发明涉及圆管未折叠状态的0点处的非对称薄壳横截面结构示意图；
[0029] 图中，1为，2为弯折段，3为腰形孔，4为主弯折薄壳，5为副弯折薄壳，6为阻尼弹 簧，7为延伸段，8为W折板，9为A锁块，10为A锁条，11为B锁块，12为B锁槽，13为电磁 铁，14为卡头，15为电源接头。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0030] 一：
[0031] 本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，如图2所示，其组成包括：圆 管1，所述圆管1的弯折段2管壁上并排设置两个腰形孔3,每个腰形孔3沿圆管1轴线方 向延长，圆管1的弯折段2管壁被分割形成主弯折薄壳4和副弯折薄壳5,主弯折薄壳4的 横截面所在的圆弧为优弧，副弯折薄壳5的横截面所在的圆弧为劣弧，腰形孔3为非对称设 置，主弯折薄壳4与副弯折薄壳5之间相对侧的内壁上设置两根阻尼弹簧6,抵消管状铰链 完全展开的瞬时冲击力；
[0032] 圆管1的两个延伸段7与W折板8相对应的一端固定连接；
[0033] 圆管1的一个末端通过A锁块9固定安装A锁条10,且A锁条10表面具有卡槽， 圆管1的另一个末端通过B锁块11固定安装B锁槽12, B锁槽12内部插装两块电磁铁13， 每块电磁铁13分别连接卡头14和电源接头15, A锁条10与卡头14配合形成阶梯式扣锁， 实现圆管弯折形成U型后的固定，展开时解锁后直接展开；其中，
[0034] 圆管1弯折段2展开后，两延伸段7中轴线夹角为α，90°彡α彡180° ;
[0035] 圆管1弯折后形成U形的管状铰链存储的稳定展开力矩M是圆心角Θ i对应的 主弯折薄壳4的弯折力矩与圆心角Θ 2对应的副弯折薄壳5的弯折力矩之和，表达式为：
，式中，M表示管状铰链存储的稳定展开力矩，E 表示圆管弹性模量，t表示圆管厚度，V表示圆管泊松比，01表示圆管1未弯折时主弯折 薄壳4的横截面所在的优弧对应的圆心角，Θ 2表不圆管1未弯折时副弯折薄壳5的横截面 所在的劣弧对应的圆心角。
【具体