基于形状记忆合金的低冲击大承载压紧释放装置研究

摘要

航天事业中广泛应用各种压紧释放装置,目前应用最多且技术最成熟的是火工品压紧释放装置。但由于火工品装置工作时会带来巨大的火工冲击及化学污染,而且无法重复使用,在很多新型航天器中已不再适用。因此急需开发非火工品压紧释放装置来满足更严苛多变的航天要求。本文以空间可展开平面天线的压紧释放为应用背景,研究低冲击、大承载、可重复使用的形状记忆合金压紧释放装置来替代火工品。
　　本文首先阐述了形状记忆合金的材料基础性能和影响因素,归纳了记忆合金驱动器基本力学模型,基于Brision的本构简化模型,推导了自由回复、恒温拉伸、约束回复这几种情况下的SMA应力、应变、温度之间的数学关系。并借助电学和热学理论,推导了记忆合金驱动器的温度响应特性。这些为后续研究提供理论基础。
　　根据SMA作动方式的不同,提出了若干设计方案,最终选择了旋转式SMA分离螺母压紧释放装置方案,因为该方案以滚动代替滑动,减少了摩擦损耗,并有两重增力机构,机械效率高,能更好满足现有星载电源功率要求。通过Pro/E建立了该方案的虚拟样机模型;并对其中的锁紧组件进行了运动学分析,以及基于弹性接触理论和有限元软件的接触分析;借助ADAMS对该设计进行了动力学仿真,分析得出了主驱动力矩和触发力矩;最后借助ANSYS完成了装置部件的强度分析。
　　分别对形状记忆合金的相变温度、带载能力、弹性模量、电阻率等材料性能,以及关键接触表面的滚动摩擦系数进行了测试;通过标定装置模拟了螺栓预紧力与拧紧力矩的对应关系;研制了基于形状记忆合金的低冲击大承载装置的原理样机,并研制出了配套的工装夹具,对该样机进行了释放阻力测试和压紧释放功能测试,试验表明样机能满足大承载、低冲击、可重复地压紧释放的要求,同时也证明了相关理论和分析方法的可行性。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外形状记忆合金压紧释放装置研究现状

1.2.2 国内形状记忆合金压紧释放装置研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 形状记忆合金理论研究及驱动器设计

2.1 引言

2.2 形状记忆合金的材料特性介绍

2.2.1 形状记忆效应

2.2.2 形状记忆合金的性能及其影响因素

2.3 形状记忆合金驱动器的基本组成

2.4 形状记忆合金本构模型及应用分析

2.4.1 本构模型

2.4.2 自由回复

2.4.3 恒温拉伸

2.4.4 约束回复

2.5 形状记忆合金驱动器温度响应分析

2.6 本章小结

第3章 形状记忆合金压紧释放装置设计与分析

3.1 引言

3.2 压紧释放装置方案分析及总体设计

3.3 锁紧组件运动学分析

3.4 锁紧组件的接触分析

3.4.1 接触分析基础理论

3.4.2 锁紧组件的接触计算及分析

3.5 压紧释放装置的动力学分析

3.5.1仿真模型建立

3.5.2 仿真结果分析

3.6 压紧释放装置部件的强度分析

3.7 本章小结

第4章 形状记忆合金压紧释放装置实验研究

4.1 引言

4.2 形状记忆合金的性能测试

4.1 形状记忆合金相变温度测试

4.2 形状记忆合金带载能力测试

4.3 形状记忆合金弹性模量测试

4.4 形状记忆合金电阻率测试

4.3 压紧释放装置关键参数测试

4.3.1 关键表面滚动摩擦系数测定

4.3.2 预紧力标定与控制试验

4.4 压紧释放装置功能试验

4.4.1 旋臂释放阻力测试

4.4.2 压紧释放功能测试

4.5 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致 谢