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形状记忆合金驱动变弯度机翼设计

形状记忆合金驱动变弯度机翼设计

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作者：谢绍辉南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着智能材料的发展,以形状记忆合金为代表的新兴智能驱动材料正在航空航天、生物医疗、智能制造等领域发挥出传统驱动材料及结构不可比拟的优势。形状记忆合金材料能够依靠自身变形在狭小空间内输出较大的力和位移,因此被广泛应用于各... 详细信息

随着智能材料的发展,以形状记忆合金为代表的新兴智能驱动材料正在航空航天、生物医疗、智能制造等领域发挥出传统驱动材料及结构不可比拟的优势。形状记忆合金材料能够依靠自身变形在狭小空间内输出较大的力和位移,因此被广泛应用于各种驱动结构中充当核心驱动部件。本文根据形状记忆合金材料的变形特性,设计了一种由形状记忆合金弹簧驱动的柔性驱动器,并将驱动器应用于军用高空无人侦察机机翼内部,作为驱动襟翼弯曲变形的驱动部件。论文主要的研究内容和取得的成果概述如下:(1)依据形状记忆合金材料的变形机理,建立了描述Ni Ti形状记忆合金材料变形特性的本构模型,在此基础上结合变弯度机翼理论设计和仿真分析结果逆向设计了形状记忆合金弹簧参数,并进一步根据金属材料的电阻热效应提出了基于直流稳压电源驱动的控制方法。(2)依据变弯度机翼总体设计方案设计了一种具有形状记忆合金弹簧和圆柱螺旋弹簧双弹簧的嵌套式复合弹簧系统,并将其封装在具有定位槽、限位槽、分隔层等结构的形状记忆合金柔性驱动器中以提高驱动的稳定性和响应频率,进一步基于pwm脉冲式通电加热的控制方法使形状记忆合金驱动器在不破坏形状记忆合金材料的基础上能够长时间保持热驱动状态不变。(3)对比变弯度机翼不同襟翼弯曲角度对应翼型轮廓在气动性能仿真下的升阻比确定了襟翼的最佳弯曲角度,并通过襟翼平面弯曲几何关系计算得到了形状记忆合金柔性驱动器的驱动行程,分析了柔性襟翼超弹性TPU材料的力学特性,并基于单轴拉伸实验和有限元仿真结果对TPU材料参数进行了标定,进一步根据襟翼弯曲特点,采用刚性聚类的设计方法对襟翼内部进行刚性增强,并采用可自变形的蜂窝状支撑结构对襟翼内部柔性区域进行设计。(4)制作了可沿翼弦方向弹性变形的玻璃纤维增强硅胶基复合材料蒙皮并将具有不同材料属性的蒙皮模型、机翼前端骨架模型和柔性襟翼模型进行多材料复合仿真,最后制作了变弯度机翼模型,通过实验测试验证了本文设计方法的有效性。

关键词：形状记忆合金弹簧柔性驱动器 pwm脉冲式控制超弹性材料蜂窝状结构复合材料蒙皮变弯度机翼

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