自驱动折叠结构的理论分析与实验研究

摘要

近年来，自驱动智能折叠结构和以形状记忆合金为代表的智能材料在各个领域的应用逐渐增多。通过记忆合金相变产生的力与形变来驱动折叠结构，从而达到对可折叠结构的控制是本文研究的主要内容。这种自驱动折叠结构可以广泛应用于土木工程（如体育场开合屋盖）、航空（智能可变机翼）、航天（空间站折叠天线）等领域。基于以上所述，本文的研究工作如下:
　　(1)对单顶点四折痕折纸模型折叠过程的驱动路径进行了分析，并在考虑对称运动控制约束的条件下分析了六折痕的折纸单元模型运动路径的研究。完成了形状记忆合金丝的相变温度试验，拉伸试验，残余应变测试和恢复力测试，确定了形状记忆合金丝的基本性能。通过理论验算预拉伸形状记忆合金丝对有厚度折板构件驱动的可行性，并根据四折痕模型的一种运动路径，尝试用形状记忆合金丝进行驱动，模型最终达到了一定的折叠效果。
　　(2)对金属材料的柔性铰性能进行了有限元分析与实验研究。常规的折纸模型在理想状态下是没有任何刚度的，因此对其驱动存在着不可控性。当在折板构件中部布置柔性铰时，可以通过力或者能量控制其折叠/展开的进程。比较不同柔性铰的折叠效果，通过提出的相关折叠性能指标进行评价。根据对比结果选择适当的柔性铰形式将其应用在Miura折纸模型中。阐述了驱动能量与折叠程度的相关联性，并对不同柔性铰模型在折叠达到特定角度的情况下，计算所需驱动力以及驱动能量。
　　(3)考虑到构件折叠时所产生的面外变形，尝试建立可以针对构件面外变形进行实时监测与自动调节的智能结构系统。以光纤光栅和形状记忆合金两种材料分别作为传感器和作动器，通过逆向应用经典板壳理论，计算了对边固支条件下，应变和挠度关于构件平面坐标的形函数，最后总结出了针对构件面外变形的智能结构体系。

目录

声明

摘要

1．1 前言

1．2 折叠结构

1．3 自驱动智能结构体系及智能材料

1．3．1 光纤光栅及其应用

1．3．2 形状记忆材料及其相关应用

1．4 本文主要的研究工作

2．1 引言

2．2 折纸单元运动路径分析

2．2．1 四折痕折纸单元理论解

2．2．2 α=β时的特解模型

2．2．3 六折痕对称控制不同坐标驱动的影响

2．3 形状记忆合金研究

2．3．1 形状记忆效应

2．3．2 相变温度实验

2．3．3 材料拉伸实验

2．3．4 残余应变测试

2．3．5 回复力测试

2．4 自驱动模型的建立

2．4．1 自驱动模型可行性分析

2．4．2 模型自驱动实验

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 可控折叠方案的原理

3．3 折痕形式的选择

3．3．1 模型尺寸的初步选择

3．3．2 构件折叠指标的提出

3．3．3 折痕的折叠性能对比

3．4 可控的自驱动折叠方案

3．4．1 模型尺寸的确定和建模

3．4．2 柔性铰布置形式

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 实验方案

4．3 不同折痕的折叠性能对比

4．3．1 构件整体尺寸对折叠性能的影响

4．3．2 切削折痕尺寸对折叠性能的影响

4．3．3 构件开椭圆形洞对折叠性能的影响

4．3．4 构件开矩形洞对折叠性能的影响

4．3．5 等用钢量下不同类型折痕性能对比

4．4 本章小结

第5章 基于形状记忆合金的自适应调节方案的理论研究

5．1 引言

5．2 智能自适应调节系统的建立

5．2．1 光纤光栅测量原理

5．2．2 薄板理论概要

5．2．3 误差分析

5．3 算例分析

5．3．1 对边固支，均布荷载(0．0 3N／mm2)

5．3．2 对边固支，集中荷载(10kN)

5．3．3 对边固支，1／4均布荷载(0．0 3N／mm2)

5．4 实验方案的设计及有限元的验证

5．4．1 试验方案的设计

5．4．2 有限元对修正方案的验证

5．5 本章小结

6．1 全文总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间所发表的学术论文