一种具有载荷调节特性的SMA双稳态梁

本发明涉及柔顺双稳态机构的，特别涉及一种sma驱动的柔顺双稳态机构。

背景技术：

1、柔顺双稳态机构通过内部构件的变形来储存或传递运动、力及能量，与传统刚性机构相比柔顺双稳态机构具有结构简单、能耗低、精度及可靠性高等优势，并且显著降低了摩擦和磨损。柔顺双稳态机构二十年来取得了巨大发展，已在mems开关/传感器、能量收集器、隔振元件等方面积累了大量研究成果，然而现有的柔顺双稳态机构大多采用外置驱动元件的方式驱动双稳态跳变，显著增加了机构体积以及设计复杂度，此外基于线弹性材料的柔顺双稳态机构稳态跳变难以实现载荷或刚度调节功能，因此制约了双稳态机构在多功能可编程结构中的应用。

技术实现思路

1、本发明主要解决现有双稳态机构技术中存在的无变载荷能力、需外置驱动元件等问题，提供了一种基于sma智能材料驱动的可调载双稳态梁。

2、本发明采用的技术方案为：一种具有载荷调节特性的sma双稳态梁，其包括sma板驱动器、弹簧钢板、固定端块和压紧块。sma板驱动器与弹簧钢板搭接组成双稳态复合梁结构，二者的一端连接在一起，另一端分别通过固定端块和压紧块夹紧形成固支端；sma板驱动器为双稳态跳变提供驱动力，双稳态跳变前后弹簧钢板的屈曲状态发生改变，进而实现轴向压力载荷(即沿梁的长度方向的压力载荷)的调节。

3、在轴向压力载荷的作用下，弹簧钢板处于近似两端固支约束下的屈曲状态，此时双稳态梁处于第一稳态，轴向压力载荷较大；双稳态跳变后，弹簧钢板处于近似一端自由一端固支约束下的屈曲状态，此时双稳态梁处于第二稳态，轴向压力载荷较小。

4、进一步地，所述sma板驱动器为具有驱动能力的sma弯曲板结构。

5、进一步地，所述弹簧钢板为矩形薄钢板结构，其长度为sma板驱动器(1)中弧线长度的3倍。

6、进一步地，所述固定端块为带有伸出端的方块结构，伸出端上布置有小螺纹孔，另一端布置有大螺纹孔；所述压紧块为带有通孔的细长方柱；固定端块和压紧块用于固定sma板驱动器和弹簧钢板。

7、一种用于制备上述sma柱壳的热处理模具，包括上压块、下压块和夹紧件，上压块上设有下凸的圆柱面，下压块上设有圆柱槽，圆柱面和圆柱槽的位置相对，二者的曲率半径相等；夹紧件用于调整上压块和下压块之间的间距；将sma矩形薄板放置在圆柱槽处，通过操作夹紧件施加压力载荷，可挤压形成sma柱壳结构，sma柱壳的曲率半径与圆柱面、圆柱槽相同。

8、进一步地，所述sma矩形薄板由激光切割工艺制作成型。

9、一种用于制备上述sma板驱动器的方法，其步骤是：

10、第1步，将sma矩形薄板放置在所述sma板热处理模具的圆柱槽上；

11、第2步，操作sma板热处理模具的夹紧件，调整上压块和下压块的间距，从而使sma矩形薄板被压紧在圆柱面和圆柱槽之间；

12、第3步，将压紧sma矩形薄板的sma板热处理模具放入马弗炉中进行热处理，在高温状态下，sma矩形薄板的奥氏体相形状由圆柱面和圆柱槽的曲率半径决定，得到sma柱壳；

13、第4步，对sma柱壳进行预弯曲处理，预弯曲变形方向与sma柱壳自身的弯曲方向相反，最终得到sma板驱动器。

14、本发明的具有载荷调节特性的sma双稳态梁，相比现有技术，其有益效果体现在以下几个方面：

15、(1)本发明具有载荷调节特性的sma双稳态梁，通过sma板驱动器来驱动机构双稳态跳变，同时赋予双稳态梁承载和自驱动两种功能，结构简单紧凑，无需额外设计双稳态驱动装置，极大地简化了机构设计。

16、(2)本发明具有载荷调节特性的sma双稳态梁，能够实现高低两种轴向载荷的调节，拓宽了双稳态机构的功能，在新型功能结构及超材料领域具有广阔应用前景。

17、(3)本发明具有载荷调节特性的sma双稳态梁，机械接口简单，便于相关连接结构的设计。

技术特征：

1.一种具有载荷调节特性的sma双稳态梁，其特征在于，所述sma双稳态梁为sma板驱动器(1)与弹簧钢板(2)搭接组成的复合梁结构，梁的两端分别通过压紧块(4)夹紧固定在固定端块(3)上；sma板驱动器(1)为双稳态跳变提供驱动力，双稳态跳变前后弹簧钢板(2)的屈曲状态发生改变，进而实现轴向压力载荷的调节；

2.根据权利要求1所述的具有载荷调节特性的sma双稳态梁，其特征在于，所述sma板驱动器(1)为具有驱动能力的sma柱壳(102)。

3.根据权利要求1所述的具有载荷调节特性的sma双稳态梁，其特征在于，所述弹簧钢板(2)为矩形薄钢板结构，其长度为sma板驱动器(1)中弧线长度的3倍。

4.根据权利要求1所述的具有载荷调节特性的sma双稳态梁，其特征在于，所述固定端块(3)为带有伸出端的方块结构，伸出端上布置有纵向的小螺纹孔；所述压紧块(4)为带有通孔的细长方柱；固定端块(3)的小螺纹孔和压紧块(4)的通孔位置相对应，用于安装螺栓固定sma板驱动器(1)和弹簧钢板(2)。

5.根据权利要求4所述的具有载荷调节特性的sma双稳态梁，其特征在于，所述固定端块(3)远离伸出端的一侧横向设置有大螺纹孔，用于连接外部结构。

6.一种sma板热处理模具，其特征在于，用于制备权利要求2所述的sma柱壳(102)，包括上压块(501)和下压块(502)，上压块(501)上设有下凸的圆柱面(503)，下压块(502)上设有圆柱槽(504)，圆柱面(503)和圆柱槽(504)的位置相对、曲率半径相等；

7.一种sma板驱动器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1所述的sma板驱动器(1)，其步骤是：

技术总结
本发明提供一种具有载荷调节特性的SMA双稳态梁，其为SMA板驱动器与弹簧钢板搭接组成的复合梁结构，梁的两端分别通过压紧块夹紧固定在固定端块上；SMA板驱动器为双稳态跳变提供驱动力，双稳态跳变前后弹簧钢板的屈曲状态发生改变，进而实现轴向压力载荷的调节。此外，本发明还提供了SMA板驱动器的热处理模具及制备方法。本发明的SMA双稳态梁，通过SMA板驱动器来驱动机构双稳态跳变，同时具有承载和自驱动两种功能，结构简单紧凑，无需额外设计双稳态驱动装置，能够实现高低两种轴向载荷的调节，拓宽了双稳态机构的功能，在新型功能结构及超材料领域具有广阔应用前景。

技术研发人员：张小勇,张宇航,蒋俊,张强,张激扬,周元子
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15