可自定义扭转角的螺旋壳结构及其制备方法和驱动方法

1.本发明属于空间结构材料设计技术领域，具体涉及一种可自定义扭转角的螺旋壳结构及其制备方法和驱动方法。

背景技术：

2.在航空航天领域中，许多结构都对大小，质量，材料等有着严格的要求。例如在卫星组成部件中的可展开太阳能帆板、桁架、可卷拢天线等。这些结构都需要满足轻质、高强度、高韧性、高耐久性的要求，同时还可能需要兼顾导电性能强弱、吸能性、可修复性等附加功能需求。主体采用碳纤维制成的螺旋壳结构，能同时满足轻质、高强度、高韧性、高耐久度和易驱动、驱动力大等特点。这种结构的独特优势在航空航天领域、医疗康复领域、缓冲结构领域都已有较多的应用。
3.双稳态碳纤维螺旋壳结构在原有的一些基础上，在材料选择上和制备工艺上已经有了较大拓展。在驱动方式上既可以依赖结构本身特点用作驱动器，也可以依靠外界驱动，使这种螺旋壳结构具备重复使用的功能。结构本身双稳态的特点能保证在达到预期行程后，在不需要外力的维持也能保持一定刚度的稳态，且在不同稳态间转变速度快。此外结构设计紧凑，空间利用率高，刚度可设计等优点，使其在多种领域内都有较大的研究潜力，包括可变形机翼、医疗康复器件等领域。目前该结构的使用场景多为单向单次，较难突破自身结构特性实现双向和多次的变形，这较大的限制了这种结构在其他领域内的应用。

技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种可自定义扭转角螺旋壳结构的制备方法及其驱动方法。
5.本发明提供如下技术方案：一种可自定义扭转角螺旋壳结构，包括两个相对设置的法兰，两个法兰通过一组刚性辐条相连接；所述刚性辐条包括碳纤维管及设置在碳纤维管两端的连接接头，所述连接接头的内端与碳纤维管相连接，其外端与对应的法兰相连接。
6.进一步的，所述连接接头的内端与碳纤维管之间胶接连接，该端镶嵌有六角螺柱；连接接头的外端通过螺栓与对应一侧的法兰相固定，螺栓与六角螺柱螺纹旋合连接；所述连接接头的内部设有用于对六角螺柱进行限位的阶梯结构。
7.其中，碳纤维管与接头可以由3d打印整体制成。
8.一种可自定义扭转角螺旋壳结构的制备方法，包括以下步骤：步骤一：在平板上铺设数层碳纤维树脂基复合材料；步骤二：将铺设好的碳纤维贴在圆柱形的模具上定型，在30℃-200℃高温下固化，得到具有预应力的半圆形法兰；步骤三：将半圆形的法兰在平直模具上展平并固定，得到具有预应力的平直形状的法兰，然后加以固定；
步骤四：采用碳纤维管的刚性辐条作为主体，将一组刚性辐条与两根法兰组装连接形成处于稳态的螺旋壳结构。
9.进一步的，所述数层碳纤维树脂基复合材料之间采用对称或非对称铺设角度，不同的铺层方案会影响到最后扭转壳结构的扭转角以及驱动力，因此提高了设计的应用空间和灵活性。其表示为[α
n1
/β
n2
/γ
n3
/θ
n4
/φ
n5
/ψ
n6
]，其中希腊字母用来表示不同的铺层角，下标表示铺设层数；对称铺设角度可设置为[02/02/902/902/02/02]或[202/202/02/02/202/202]等，非对称铺设角度可设置为：[02/-452/02/452/02/-452]等。
[0010]
进一步的，所述碳纤维树脂基复合材料为t700碳纤维环氧基预浸料、t700超薄碳纤维环氧树脂基预浸料、碳纤维双马树脂基预浸料、将树脂预浸的碳纤维长束通过3d打印的复合材料层中的一种。
[0011]
进一步的，所述步骤一中，铺层的中间层可以替换为同等厚度、同等尺寸的金属片，如铝片、铜片等，以起到防止碳纤维分离的作用；其中，当铺层的中间层可以替换为同等厚度、同等尺寸的金属片，以起到防止碳纤维分离的作用；其中，当铺层为奇数层时，其中间单层为中间层，当铺层为偶数层时，则在其中间增加一层作为中间层。
[0012]
进一步的，所述圆柱形模具由上模和下模两个部分组成，其材料采用金属硬质材料，如45号钢、a3钢以及灰铸铁等。
[0013]
进一步的，所述步骤二中，高温固化时需施加大气压强，以保证数层碳纤维树脂基复合材料之间粘接牢固。
[0014]
一种可自定义扭转角螺旋壳结构的驱动方法，驱动方法的具体过程如下：将处于低应变能稳定状态的螺旋壳结构的一端固定，使刚性辐条绕螺旋壳中心轴逆/顺时针旋转，旋转方向取决于当时处于的低应变能稳态状态；当螺旋壳扭转至高应变能稳定态时，结构处于不稳定的状态，在受到外界激励后会快速反应，向低应变能稳态转变；在转变的过程中能产生力矩，可以用来作为需要单次驱动装置的致动器。
[0015]
通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1）本发明的螺旋壳结构在不需要外力的助力下即可实现驱动和维持稳定的功能，同时可以对螺旋壳的结构参数进行更改，达到一个按需设计扭转角及扭转扭矩的功能；2）本发明由于结构设计和制造的便利性，即便是同尺寸、同质量的条件下也能实现不同的功能需求，因此可以做到在标准装置中根据使用环境的不同有针对性的选择不同规格的螺旋壳结构，可拆卸组装的设计能够便于打包运输已经平时的保存；3）本发明相较于传统电机驱动，螺旋壳的质量更轻，且易于和各种装置进行结合，相较于智能材料驱动，螺旋壳结构的驱动力更大，且驱动方式更直接，不需要额外的电源、磁场、温度场或光照条件等。
附图说明
[0016]
图1为本发明铺层[02/02/902/902/02/02]的螺旋壳结构的三种稳态示意图；图2为本发明铺层[202/202/02/02/202/202]的螺旋壳结构的三种稳态示意图；图3为本发明螺旋壳结构法兰与辐条连接处的细节示意图；图4为本发明螺旋壳结构的简易触发装置示意图；
图5为本发明铺层[02/02/902/902/02/02]的螺旋壳结构各稳态与应变能关系的示意图；图6为本发明圆柱形模具的结构示意图。
具体实施方式
[0017]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0018]
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0019]
请参阅图1-6，本实施例的一种基于纤维铺层角度自定义扭转角的螺旋壳结构，如图1所示，包括碳纤维制法兰1，两条法兰1之间由5根刚性辐条连接，刚性辐条与法兰1之间设有弹簧垫片5，平垫片6，用来减小螺旋壳在变形时法兰与辐条间的摩擦。
[0020]
其中，六角螺柱3以过盈配合的方式镶嵌与3d打印的接头4中，由于螺栓7与六角螺柱3之间存在一个拉力，因此接头4内部设计有阶梯状结构，可以保证六角螺柱3不会穿过接头4。接头4与碳纤维管2使用胶接的方式结合，由于螺旋壳在变形的过程中，刚性辐条主要受到一个垂直与辐条的扭矩，因此采用胶接的方式不用担心接头4从碳纤维管2中脱出。
[0021]
法兰1在制作完成时应该是呈半圆形的，因此需要将法兰1固定在平直模具上，使法兰1产生较大的内应力，最大内应力受法兰铺设层数和铺设角度的影响，而最大内应力又会影响到螺旋壳从平直状态转变到螺旋状态时的速度及扭矩大小。
[0022]
如图5所示，由于螺旋壳处于高应变能稳态时是极不稳定的，此时受到任何外界扰动都会迅速向低应变能转变，这种特性并不利于实际工作上的应用，因此需要一个装置能拓展螺旋壳结构处于高应变能时的稳态区间。图4展示了一种螺旋壳结构的触发装置，装备9通过两块柔性板8限制螺旋壳结构的变形，只有当螺旋壳结构受到大于柔性板8刚度的力时，才会向着受力方向变形。柔性板8可以根据实际情况进行材料替换或结构上的替换。
[0023]
一种基于纤维铺层方向可自定义扭转角螺旋壳结构的制备方法，具体方法为：s1、使用裁纸机将碳纤维预浸料按设计的[05/902/05]角度剪裁，共计24条预浸料带；s2、将预浸料带按设计角度粘贴，并贴在圆柱形模具上；s3、将模具合模，送入热压罐中，在30℃-200℃高温固化3小时，加压条件为0.6mpa，得到具有预应力的半圆形法兰；s4、固化结束后将法兰从热压罐取出，放在平直模具上展平，得到具有预应力的法兰；s5、将六角螺柱3、3d打印接头4与碳纤维管2结合，组成完整的刚性辐条；s6、用m2螺栓将刚性辐条与法兰1结合，组成完整的螺旋壳结构。
[0024]
使用时，将螺旋壳结构扭转至高应变能稳态，并镶嵌到带有触发机构的装置中。当机构受到外力作用，螺旋壳结构将从高应变能稳态向低应变能稳态转变，过程中产生位移
和扭矩，可将其视为致动器对外界做功。
[0025]
本实例通过碳纤维各向异性的特性，通过改变铺层角度设计了具有不同扭转角且能自发进行形变和驱动的螺旋壳结构，得到了同时具有两种变形模式，三种稳定形态的优越特性，且由于碳纤维的材料特性，该结构还具备极高能量密度。体积小，控制方便，制备简单且替换方便的特性，有望被应用于各种结构紧凑，对整体质量要求较高的装置中。
[0026]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种可自定义扭转角螺旋壳结构，其特征在于：包括两个相对设置的法兰，两个法兰通过一组刚性辐条相连接；所述刚性辐条包括碳纤维管及设置在碳纤维管两端的连接接头，所述连接接头的内端与碳纤维管相连接，其外端与对应的法兰相连接。2.根据权利要求1所述的一种可自定义扭转角螺旋壳结构，其特征在于所述连接接头的内端与碳纤维管之间胶接连接，该端镶嵌有六角螺柱；连接接头的外端通过螺栓与对应一侧的法兰相固定，螺栓与六角螺柱螺纹旋合连接；所述连接接头的内部设有用于对六角螺柱进行限位的阶梯结构。3.一种可自定义扭转角螺旋壳结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：在平板上铺设数层碳纤维树脂基复合材料；步骤二：将铺设好的碳纤维贴在圆柱形的模具上定型，在30℃-200℃高温下固化，得到具有预应力的半圆形法兰；步骤三：将半圆形的法兰在平直模具上展平并固定，得到具有预应力的平直形状的法兰，然后加以固定；步骤四：采用碳纤维管的刚性辐条作为主体，将一组刚性辐条与两根法兰组装连接形成处于稳态的螺旋壳结构。4.根据权利要求3所述的一种可自定义扭转角螺旋壳结构的制备方法，其特征在于所述数层碳纤维树脂基复合材料之间采用对称或非对称铺设角度，其表示为[α
n1
/β
n2
/γ
n3
/θ
n4
/φ
n5
/ψ
n6
]，其中希腊字母用来表示不同的铺层角，下标表示铺设层数。5.根据权利要求3所述的一种可自定义扭转角螺旋壳结构的制备方法，其特征在于所述碳纤维树脂基复合材料为t700碳纤维环氧基预浸料、t700超薄碳纤维环氧树脂基预浸料、碳纤维双马树脂基预浸料、将树脂预浸的碳纤维长束通过3d打印的复合材料层中的一种。6.根据权利要求5所述的一种可自定义扭转角螺旋壳结构的制备方法，其特征在于所述步骤一中，当铺层的中间层可以替换为同等厚度、同等尺寸的金属片，以起到防止碳纤维分离的作用；其中，当铺层为奇数层时，其中间单层为中间层，当铺层为偶数层时，则在其中间增加一层作为中间层。7.根据权利要求3所述的一种可自定义扭转角螺旋壳结构的制备方法，其特征在于所述圆柱形模具的材料采用金属硬质材料。8.根据权利要求3所述的一种可自定义扭转角螺旋壳结构的制备方法，其特征在于所述步骤二中，高温固化时需施加大气压强，以保证数层碳纤维树脂基复合材料之间粘接牢固。9.一种可自定义扭转角螺旋壳结构的驱动方法，其特征在于：驱动方法的具体过程如下：将处于低应变能稳定状态的螺旋壳结构的一端固定，使刚性辐条绕螺旋壳中心轴逆/顺时针旋转，旋转方向取决于当时处于的低应变能稳态状态；当螺旋壳扭转至高应变能稳定态时，结构处于不稳定的状态，在受到外界激励后会快速反应，向低应变能稳态转变；在转变的过程中能产生力矩，可以用来作为需要单次驱动装置的致动器。

技术总结

可自定义扭转角的螺旋壳结构及其制备方法和驱动方法，属于空间结构材料设计技术领域。螺旋壳结构包括两个相对设置的法兰，两个法兰通过一组刚性辐条相连接；所述刚性辐条包括碳纤维管及设置在碳纤维管两端的连接接头，所述连接接头的内端与碳纤维管相连接，其外端与对应的法兰相连接。本发明螺旋壳结构在不需要外力的助力下即可实现驱动和维持稳定的功能，同时可以对螺旋壳的结构参数进行更改，达到一个按需设计扭转角及扭转扭矩的功能；可以做到在标准装置中根据使用环境的不同有针对性的选择不同规格的螺旋壳结构，可拆卸组装的设计能够便于打包运输已经平时的保存；驱动方式直接，不需要额外条件，且可以在外力的作用下重复使用。下重复使用。下重复使用。