基于多稳态复合材料薄壳的手性可变形结构及其制造方法

基于多稳态复合材料薄壳的手性可变形结构及其制造方法
1.技术领域：本发明涉及一种基于多稳态复合材料薄壳的手性可变形结构及其制造方法。
2.

背景技术：
变形结构被定义为在一定驱动条件下能发生明显形状变化的结构，在一些需要对突变负载进行自适应变化的结构中常被应用，例如飞机襟翼、直升机旋翼、f1赛车尾翼和风力发电机叶片。目前这些结构大多采用电机和丝杆来控制变形，这不仅使其结构负载繁琐，还具有延迟响应的缺陷。
3.

技术实现要素：
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，将复合材料双稳态特性引入手性拓扑结构，即本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多稳态复合材料薄壳的手性可变形结构及其制造方法。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于多稳态复合材料薄壳的手性可变形结构，包括环形状的结构本体，所述结构本体包含四个首尾相连的周侧薄壳和竖设在四个周侧薄壳内部的中间薄壳，所述周侧薄壳和中间薄壳均为多稳态复合材料薄壳；所述结构本体的上、下两端均经由中间薄壳、两个周侧薄壳沿同曲率方向卷曲形成固定节点，结构本体的左、右两端均经由两根周侧薄壳沿同曲率方向卷曲形成可动节点。
5.进一步的，所述多稳态复合材料薄壳包括两段长度不同、卷曲方向相反的双稳态复合材料薄壳段；所述固定节点与可动节点之间由周侧薄壳的长端展开部分形成的周侧悬臂相连接，两个固定节点之间由中间薄壳的长端展开部分形成的中间悬臂相连接。
6.进一步的，所述可动节点和固定节点可采用环氧树脂胶接或机械连接，可动节点包括左可动节点和右可动节点，所述左可动节点和右可动节点均由两根周侧薄壳的长端沿同曲率方向卷曲组成；所述固定节点包括上固定节点和下固定节点，所述上固定节点由两个周侧薄壳的短端和中间薄壳的短端沿同曲率方向卷曲组成；所述下固定节点由两个周侧薄壳的短端和中间薄壳的长端沿同曲率方向卷曲组成。
7.进一步的，所述多稳态复合材料薄壳的长度为l，多稳态复合材料薄壳的长端长度为l1、短端长度为l2，多稳态复合材料薄壳的长端卷曲长度为l0，r为多稳态复合材料薄壳卷曲稳态的曲率半径，其中：l=l1+l2，3πr≤l1＜l
−
l2，3πr≤l2＜l1。
8.进一步的，所述多稳态复合材料薄壳的任意端横截面均为圆弧状，且圆心角为θ，30
°
≤θ≤300
°
。
9.进一步的，所述多稳态复合材料薄壳的厚度δ与曲率半径r之比小于1/20。
10.进一步的，所述周侧悬臂的长度为l1，其中l1=l1−
l0，l1≥4πr；所述中间悬臂的长度为l2，l2=l1−
l0，l2≥4πr。
11.进一步的，所述左可动节点两侧周侧悬臂之间的夹角为α，其中15
°
≤α＜165
°
；所述右可动节点两侧周侧悬臂之间的夹角为β，其中15
°
≤β＜165
°
。
12.进一步的，在可动节点上两个周侧悬臂同向相切，在固定节点上周侧悬臂与中间悬臂同向相切，在无负载状态下，相邻切点间劣弧的弧长均为节点周长的六分之一。
13.本发明采用的另外一种技术方案是：一种多稳态复合材料薄壳的制作方法，制作时，将复合材料预浸料的两端以相反的方向呈s型分别卷曲于两根半径为r的圆柱形模具上，其中一端卷曲长度为l1，另一端卷曲长度为l2；之后置于120℃烘箱内热处理90分钟使其固化，待完全冷却后，将所得复合材料结构完全展开，置于120℃烘箱内二次处理10分钟，即得所述多稳态复合材料薄壳。
14.与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明设计合理，采用具有多稳态特性的复合材料薄壳结构作为支撑，可有效避免采用平板结构时出现的大范围屈曲现象，以及结构在大变形过程中产生的脱粘和断裂的隐患，在实现结构减重的同时，提高其可靠性；同时，由于结构的手性特性，在竖直方向具有承载能力，在水平方向上具有大变形能力，满足可变形结构的设计要求，在航空航天、汽车、风力发电机叶片等领域有较大的应用潜力。
15.附图说明：图1是本发明实施例的构造示意图；图2是本发明实施例中多稳态复合材料薄壳展开时的侧视图；图3是本发明实施例中多稳态复合材料薄壳任意端横截面示意图；图4是本发明实施例中多稳态复合材料薄壳卷曲成节点-悬臂-节点状态的示意图；图5是本发明实施例中多稳态复合材料薄壳卷曲制备过程示意图；图6是本发明实施例中处于收拢构型时的结构示意图；图7是本发明实施例中处于过渡构型时的结构示意图。
16.图中：a-左可动节点；b-右可动节点；c-上固定节点；d-下固定节点；1-周侧悬臂；2-中间悬臂；301-第一圆柱形模具；302-第二圆柱形模具；4-周侧薄壳；5-中间薄壳。
17.具体实施方式:下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
18.在本发明的描述中，需要理解的是，术语
“ꢀ
纵向”、
“ꢀ
横向”、
“ꢀ
上”、
“ꢀ
下”、
“ꢀ
前”、
“ꢀ
后”、
“ꢀ
左”、
“ꢀ
右”、
“ꢀ
竖直”、
“ꢀ
水平”、
“ꢀ
顶”、
“ꢀ
底”、
“ꢀ
内”、
“ꢀ
外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
19.如图1～7所示，本发明一种基于多稳态复合材料薄壳的手性可变形结构，具有自适应特性，包括环形状的结构本体，所述结构本体包含四个首尾相连的周侧薄壳4和竖设在四个周侧薄壳4内部的中间薄壳5，所述周侧薄壳4和中间薄壳5均为多稳态复合材料薄壳，即：该手性可变形结构由五个多稳态符合材料薄壳组成；所述结构本体的上、下两端均经由中间薄壳、两个周侧薄壳沿同曲率方向卷曲形成固定节点，结构本体的左、右两端均经由两根周侧薄壳沿同曲率方向卷曲形成可动节点，可动节点和固定节点可采用环氧树脂胶接或机械连接。
20.本实施例中，所述多稳态复合材料薄壳包括两段长度不同、卷曲方向相反的双稳态复合材料薄壳段，即：周侧薄壳4和中间薄壳5均包括长度较长的长端和长度较短的短端；当进行卷曲时，多稳态复合材料薄壳的长端仅是部分长度进行卷曲，而多稳态复合材料薄
壳的短端则是全部长度进行卷曲。
21.本实施例中，所述固定节点与可动节点之间由周侧薄壳的长端展开部分形成的周侧悬臂4相连接，两个固定节点之间由中间薄壳的长端展开部分形成的中间悬臂5相连接。
22.本实施例中，所述可动节点包括左右分布的左可动节点a和右可动节点b，所述左可动节点a和右可动节点b均由两个相邻的周侧薄壳4的长端沿同曲率方向卷曲到第一圆柱形模具组成；所述固定节点包括上下分布的上固定节点c和下固定节点d，所述上固定节点c由两个相邻的周侧薄壳4的短端和中间薄壳5的短端沿同曲率方向卷曲到第二圆柱形模具组成；所述下固定节点d由两个相邻的周侧薄壳4的短端和中间薄壳5的长端沿同曲率方向卷曲到第二圆柱形模具组成。
23.本实施例中，如图2所示，所述多稳态复合材料薄壳的长度为l，多稳态复合材料薄壳的长端长度为l1、短端长度为l2，多稳态复合材料薄壳的长端卷曲长度为l0，短端的卷曲长度为l2，r为多稳态复合材料薄壳卷曲稳态的曲率半径，其中：l=l1+l2，3πr≤l1＜l
−
l2，3πr≤l2＜l1。应说明的是，通过调整复合材料薄壳的几何构型设计，可根据需求调控其力学特性。
24.本实施例中，所述多稳态复合材料薄壳的任意端横截面均为圆弧状，且圆心角为θ，30
°
≤θ≤300
°
。
25.本实施例中，所述多稳态复合材料薄壳的厚度δ与曲率半径r之比小于1/20。
26.本实施例中，所述周侧悬臂4的长度为l1，其中l1=l1−
l0，l1≥4πr，l1受手性结构负载情况影响；所述中间悬臂5的长度为l2，l2=l1−
l0，l2≥4πr，l2不受手性结构负载情况影响。
27.本实施例中，所述左可动节点a两侧周侧悬臂4之间的夹角为α，其中15
°
≤α＜165
°
；所述右可动节点b两侧周侧悬臂4之间的夹角为β，其中15
°
≤β＜165
°
。
28.本实施例中，所述多稳态复合材料薄壳具有四个不同稳态，分别为：两端展开、两端卷曲、长端卷曲短端展开、长端展开短端卷曲。
29.本实施例中，在可动节点上，两个周侧悬臂4同向相切，在无负载状态下，相邻切点间劣弧的弧长均为节点周长的六分之一。同理的，在固定节点上，周侧悬臂4与中间悬臂5同向相切，在无负载状态下，相邻切点（周侧悬臂与中间悬臂）间劣弧的弧长均为节点周长的六分之一。
30.本实施例中，该多稳态复合材料薄壳的制作方法如图4所示：制作时，将复合材料预浸料的两端以相反的方向呈s型分别卷曲于两根半径为r的第一圆柱形模具301和第二圆柱形模具302上，其中一端卷曲长度为l1，另一端卷曲长度为l2；之后置于120℃烘箱内热处理90分钟使其固化，待完全冷却后，将所得复合材料结构完全展开，置于120℃烘箱内二次处理10分钟，即得所述多稳态复合材料薄壳。
31.优选的，该复合材料是碳纤维-环氧树脂复合材料，在一些优选的实施例中，基体材料可采用不饱和聚酯、乙烯基酯树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸树脂中的任一种；增强材料可采用玻璃纤维、聚乙烯、聚丙烯、蚕丝蛋白、大麻植物纤维中的任一种，原料来源广泛。
32.应说明的是，该手性可变形结构由四个周侧薄壳首尾相接围成类菱形状的闭环结构，中间薄壳设于上下两个固定节点之间；此处的固定节点为手性可变形结构在收拢构型或过渡构型均保持位置不动，而可动节点的位置则是会随着改变。
33.本发明的优点在于：（1）采用基于双稳态特性的多稳态复合材料薄壳作为悬臂，实
现结构和功能的一体化设计与制备，可有效避免采用平板结构时出现的大范围屈曲现象，以及结构在大变形过程中产生的脱粘和断裂的隐患；（2）利用多稳态复合材料薄壳的手性特性，使其在竖直方向具有承载能力，在水平方向上具有大变形能力，满足可变形结构的设计要求；（3）采用蜂窝状结构设计，极大地节省了材料，实现结构减重的同时，提高其可靠性，在航空航天、汽车、风力发电机叶片等领域有较大的应用潜力。
34.本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
35.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
36.本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
37.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。