一种可变刚度复合材料结构制造技术

本发明专利技术属于智能结构领域，提出了一种可变刚度复合材料结构。该可变刚度复合材料结构由能使结构恢复原特征的基础结构层、由热固性复合材料组成的可变刚度层和电加热元件组成。该可变刚度复合材料结构将电加热元件贴附于结构可变刚度层一侧，通过调整电加热元件中电流或电压的大小控制电加热元件产生热量的多少，从而局部或整体地改变结构的刚度分布。本发明专利技术结合热固性树脂在加热作用下发生玻璃态转化时其弹性模量发生明显变化，且在转化温度区间内热固性树脂的玻璃态转化具有可逆性的性能特点，通过控制不同加热膜的加热温度改变复合材料结构的刚度分布，可局部或整体地实现结构刚度变化。刚度变化。刚度变化。

【技术实现步骤摘要】
一种可变刚度复合材料结构


[0001]本专利技术涉及智能结构领域，具体涉及一种可变刚度复合材料结构。

技术介绍

[0002]近年来，自适应结构迅猛发展，自适应结构在实际应用中不仅具有刚度可变的性能特点，而且满足结构在具备高度顺应性的同时，还具备稳定可控的构型及一定的承载能力。当外界环境变化时，自适应结构的刚度可以适时调节以适应结构在不同环境条件下的工况，使其始终处于最佳工作状态。
[0003]目前，有多种变刚度实现方式被用于自适应结构中，包括冗余驱动、颗粒阻塞和层干扰等，但这些变刚度方式主要存在以下问题：
[0004](1)变刚度效果受限。基于冗余结构产生拮抗作用的方式可控刚度范围较小，变刚度效果受到限制，仅可应用于一些人机交互等轻载场合；Cianchetti M,Arienti A,Follador M,et al.Design concept and validation of a robotic arm inspired by the octopus[J].Materials Science and Engineering:C.2011,31(6):1230
‑
1239.
[0005](2)需依赖机构运动。被动阻塞通过机构变形被动压缩阻塞介质腔体，其刚度跟随机构运动而变化，长时间工作阻塞介质腔体易老化，从而对机构的运动造成一定影响；LI Y,CHEN Y,YANG Y,et a1.Passive particle jamming and its stiffening of soft robotic grippers[J].IEEE Transactions on Robotics,2017,33(2):446
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455.
[0006](3)需添加额外装置。主动负压阻塞方式可实现结构刚度随负压大小变化而变化，但需要添加额外的负压装置，不利于自适应结构小型化和轻量化；Amend,Brown,Rodenberg,et al.A Positive Pressure Universal Gripper Based on the Jamming of Granular Material[J].IEEE Transactions on Robotics,2012,28(2):341
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350.
[0007](4)结构柔顺性不足。层干扰方式通过负压增大多层片状材料间的摩擦和拮抗作用，多层片状结构会对整体结构的柔顺性造成一定影响。KIM Y J,CHENG S,KIM S,et a1.A novel layer jamming mechanism with tunable stiffness capability for minimally invasive surgery[J].IEEE Transactions on Robotics,2013,29(4):1031
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1042.

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种可变刚度复合材料结构。
[0009]本专利技术的技术方案如下：
[0010]一种可变刚度复合材料结构，包括基础结构层1、变刚度层2和电加热元件3；基础结构层1能使结构恢复原特征；变刚度层2主要由热固性复合材料组成，其连接于基础结构层1上侧，电加热元件3紧密排列贴附于结构变刚度层2一侧；每个电加热元件3均配有温控装置4；温控装置4通过调整电流或电压大小控制加热元件温度。
[0011]所述基础结构层1为单向带层合板、编织材料层合板、铝合金板中的一种。
[0012]所述单向带层合板和编织材料层合板均主要由增强体和基体组成，碳纤维、玻璃
纤维、芳纶纤维中的一种或以上组合为增强体，聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚醚醚酮中的一种为基体。
[0013]所述变刚度层2以碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的一种或以上组合为增强体，以环氧树脂为基体制成的变刚度单向带层合板或变刚度编织材料层合板。
[0014]所述电加热元件3为PI电加热膜、硅胶电加热膜或PET电加热膜。。
[0015]基于热固性树脂在加热作用下发生玻璃态转化，导致材料弹性模量发生变化，且在转化温度区间内热固性树脂玻璃态转化具有可逆性的性能特点，所述的复合材料结构具有刚度可变的特性。
[0016]本专利技术提供的复合材料结构中的基础结构层1是为了维持结构的基本结构形状并使结构具备一定的承载能力。变刚度层2作为功能层，当其整体或局部受热条件下刚度发生变化时，整个复合材料结构的刚度分布会随之发生改变。
[0017]本专利技术提供的可变刚度复合材料结构中电加热元件3自适应地贴附于复合材料结构变刚度层2一侧，复合材料结构变刚度层2一侧所贴附的电加热元件3可根据刚度分布需求整体或局部地为复合材料结构提供加热，通过温控装置4调整电加热元件3中电流或电压的大小以控制电加热元件3产生热量的多少，从而通过加热的方式整体或局部地改变材料弹性模量，最终整体或局部地改变复合材料结构的刚度分布，可实现结构的刚度分布呈现某一规律变化。
[0018]本专利技术的有益效果：通过将复合材料基础结构层、变刚度层和电加热元件进行装配，可使结构在保证轻量化、较好柔顺性且不依赖机构运动的前提下，有较大的可调刚度范围和良好的变刚度效果。
附图说明
[0019]图1是本专利技术的一种可变刚度复合材料结构的整体结构示意图。
[0020]图2是本专利技术的一种可变刚度复合材料结构的基础结构层和变刚度层的示意图。
[0021]图中：1
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基础结构层，2
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变刚度层，3
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电加热元件，4
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温控装置。
具体实施方式
[0022]结合图1说明一种可变刚度复合材料结构，包括能使结构恢复原特征的基础结构层1、由热固性复合材料组成的可变刚度层2和电加热元件3组成，每个电加热元件均配有温控装置4，该可变刚度复合材料结构将电加热元件3贴附于结构变刚度层2一侧。
[0023]结合图2说明，可变刚度复合材料结构中的基础结构层1是由包括但不限于以碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或以上几种纤维的组合为增强体，聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚醚醚酮中的一种热塑性树脂为基体所制成的单向带层合板或编织材料层合板，或铝合金板以及其他能使结构恢复原特征的结构层。可变刚度复合材料结构中的变刚度层2是以碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或以上几种纤维的组合等为增强体，环氧树脂为基体所制成的变刚度单向带层合板或变刚度编织材料层合板。可变刚度复合材料结构中将基础结构层1与变刚度层2以胶接、铆接或螺纹连接的方式连接而成。
[0024]结合图1说明可变刚度复合材料结构中，电加热元件3的布局应紧密自适应排列并贴附在复合材料结构变刚度层2一侧。所述电加热元件3包括但不限于PI电加热膜、硅胶电
加热膜、PET电加热膜或其他可适应结构形状且可通电加热的加热元器件，每个电加热膜均配有可调整电流或电压大小本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可变刚度复合材料结构，其特征在于，该可变刚度复合材料结构包括基础结构层(1)、变刚度层(2)和电加热元件(3)；变刚度层(2)主要由热固性复合材料组成，其连接于基础结构层(1)上侧，电加热元件(3)紧密排列贴附于结构变刚度层(2)一侧；每个电加热元件(3)均配有温控装置(4)；温控装置(4)通过调整电流或电压大小控制电加热元件(3)温度。2.根据权利要求1所述的可变刚度复合材料结构，其特征在于，所述基础结构层(1)为单向带层合板、编织材料层合板、铝合金板中的一种。3.根据权利要求2所述的可变刚度复合材料结构，其特征在于，所述单向带层合板和编织材料层合板均主要由增强...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨睿，马卿元，孙士勇，牛斌，钱卫，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：