剛度可變、減振與防護一體的舵機外殼及制造、使用方法

1.本發明涉及材料技術領域與水下航行器技術領域，具體涉及一種基于形狀記憶聚合物設計的具備一定隔振能力的點陣舵機外殼。該外殼基于形狀記憶聚合物加工的點陣結構進行設計，基于材料的獨特的感溫特性，可以針對環境變化實現大范圍剛度變化與調控，具有優異的環境適應性、防護能力與減振效果。


背景技術：

2.海洋作為重要資源儲備以及國家安全重要防線，高性能水下航行器尤為重要。航行器作為水下主要作業裝備，不論在民用還是軍用方面，對其振動水平都有著十分嚴格的要求。航行器通常用來探測地貌、繪制海底地形，其自身噪聲強度會嚴重影響聲吶設備的有效作用距離，直接影響到其作戰性能和生存能力。所謂聲隱身技術就是航行器通過控制自身聲物理場輻射強度，從而使對方聲吶的探測效率降低，減小被發現概率。舵機是水下航行器控制系統的重要組成部，也是潛艇噪聲的一個重要來源。此外，海洋環境復雜多變，針對性的設計保護裝置也極為重要。
3.針對水下航行器減振的迫切需求與復雜的環境條件，當前多采用優化結構設計，附加額外減振于緩沖部件等，或者使用減振臺等方式實現減振和緩沖功能；但這種方式會帶來額外配件，增加裝備體積與質量以及整體復雜度；更重要的是，單一部件難以針對復雜多變的環境條件與振動頻率進行實時調控。
4.點陣結構性能優異，材料使用效率高，同時具有多種功能特性；形狀記憶聚合物是一種新型功能材料，兼具了塑料和橡膠的特性，在溫度改變的情況下能夠實現自身性能的大范圍變化，同時能夠在大應變變形條件下保持材料特性；這些新技術的發展為針對當前減振與保護局限，設計具有實時調控功能的舵機外殼提供了條件。


技術實現要素：

5.因此，本發明的目的是針對當前水下航行器領域舵機復雜使用環境所帶來的實時調控需求，從當前減振方式的缺陷出發，基于具有溫度調控特性的形狀記憶聚合物設計點陣結構舵機外殼。這種新型舵機外殼，能夠在溫度改變的條件下進行外殼性能的改變，實現針對變化載荷與振動的實時響應。
6.本發明的剛度可變、減振與防護一體的舵機外殼，包括由形狀記憶聚合物制作的點陣結構的外殼本體、覆蓋所述外殼本體的金屬蒙皮和用于控制所述金屬蒙皮發熱的溫度控制器；所述溫度控制器通過控制金屬蒙皮的溫度以調節形狀記憶聚合物點陣結構的剛度。
7.進一步，所述點陣結構為體心立方點陣，其單胞的邊長為2mm，其桿徑為0.3mm。
8.本發明還公開了一種制造所述舵機外殼的方法，包括以下步驟：
9.s1.根據使用需求進行點陣結構模型設計；
10.s2.基于設計出的點陣結構單元通過填充、布爾運算與拓撲優化進行舵機外殼的
點陣化設計；
11.s3.基于設計出的舵機外殼點陣化模型，采用形狀記憶聚合物打印出舵機外殼本體，然后將外殼蒙皮覆蓋于打印出的外殼本體，再將溫度控制器與外殼蒙皮電連接實現舵機外殼的整體溫度控制。
12.本發明還公開了一種使用所述舵機外殼的方法，包括以下步驟：
13.s1.識別舵機所處的沖擊環境或振動環境；
14.s2.當舵機處于小沖擊環境或弱振動環境時，所述溫度控制器控制舵機外殼整體降溫，使舵機外殼剛度增加以提高其結構穩定性；
15.當舵機處于大沖擊環境或強振動環境時，所述溫度控制器控制舵機外殼整體升溫，使舵機外殼剛度降低以提高其緩沖性能。
16.本發明的有益效果為：
17.1、本發明的舵機外殼基于點陣結構設計，點陣結構相較于傳統金屬實體結構，能夠實現整體部件的大幅度減重，提升航行器運行效率；
18.2、本發明的舵機外殼基于形狀記憶聚合物加工設計而成，能夠針對不同的環境條件、性能需求進行性能切換，滿足多種使用場景，實現了沖擊防護與減振的功能集成，降低了附加功能部件所帶來的結構冗余與復雜度；
19.3.本發明的舵機外殼包含溫度控制系統，操作人員能夠根據需求，能夠完成需求—溫度—性能的主動調節流程，相較于傳統被動且單一的設計，該設計具有更為廣泛的運用前景。
附圖說明
20.下面結合附圖和實施例對本發明技術方案進一步說明：
21.圖1為體心立方點陣單胞的示意圖；
22.圖2為舵機外殼點陣化示意圖
23.圖3為本發明的舵機外殼的結構示意圖。
具體實施方式
24.本實施例的舵機外殼，包括由形狀記憶聚合物制作的點陣結構的外殼本體、覆蓋所述外殼本體的金屬蒙皮和用于控制所述金屬蒙皮發熱的溫度控制器；所述溫度控制器通過控制金屬蒙皮的溫度以調節形狀記憶聚合物點陣結構的剛度。所述點陣結構為體心立方點陣，其單胞的邊長為2mm，其桿徑為 0.3mm。
25.本實施例的舵機外殼的制造方法，包括以下步驟：
26.s1.根據使用需求進行點陣結構模型設計；
27.此處以最為常見和基礎的bcc點陣結構(體心立方點陣結構)為例，首先使用三維建模軟件solidworks進行點陣結構設計，設計點陣單胞邊長大小為2mm，其桿徑為0.3mm，如圖1所示可得bcc單胞結構；
28.s2.基于設計出的點陣結構單元通過填充、布爾運算與拓撲優化進行舵機外殼的點陣化設計；
29.以步驟s1獲得的點陣單元為基本單元，通過陣列、改變單胞形態、拓撲優化等多種
方法，對舵機外殼部分或全部位置進行點陣化設計，其點陣化示意圖如圖2所示；
30.s3.基于設計出的舵機外殼點陣化模型，采用形狀記憶聚合物打印出舵機外殼本體，然后將外殼蒙皮覆蓋于打印出的外殼本體，再將溫度控制器與外殼蒙皮電連接實現舵機外殼的整體溫度控制。
31.根據步驟s2中的設計結果，使用形狀記憶聚合物完成整體結構打印加工，外部蒙皮則使用金屬進行加工，并將其設計為簡單電阻溫度控制器，最終組合安裝即可，結構示意圖可見圖3(其中標記1為舵機外殼金屬蒙皮，標記2 為內部形狀記憶聚合物點陣結構，標記3為溫度控制系統)。
32.本發明還公開了一種使用所述舵機外殼的方法，包括以下步驟：
33.s1.識別舵機所處的沖擊環境或振動環境；
34.s2.當舵機處于小沖擊環境或弱振動環境時，所述溫度控制器控制舵機外殼整體降溫，使舵機外殼剛度增加以提高其結構穩定性；
35.當舵機處于大沖擊環境或強振動環境時，所述溫度控制器控制舵機外殼整體升溫，使舵機外殼剛度降低以提高其緩沖性能。
36.最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。


技術特征：
1.一種剛度可變、減振與防護一體的舵機外殼，其特征在于：包括由形狀記憶聚合物制作的點陣結構的外殼本體、覆蓋所述外殼本體的金屬蒙皮和用于控制所述金屬蒙皮發熱的溫度控制器；所述溫度控制器通過控制金屬蒙皮的溫度以調節形狀記憶聚合物點陣結構的剛度。2.根據權利要求1所述的舵機外殼，其特征在于：所述點陣結構為體心立方點陣，其單胞的邊長為2mm，其桿徑為0.3mm。3.一種制造權利要求1-2任一項所述的舵機外殼的方法，其特征在于，包括以下步驟：s1.根據使用需求進行點陣結構模型設計；s2.基于設計出的點陣結構單元通過填充、改變單胞形態、布爾運算和拓撲優化進行舵機外殼的點陣化設計；s3.基于設計出的舵機外殼點陣化模型，采用形狀記憶聚合物打印出舵機外殼本體，然后將外殼蒙皮覆蓋于打印出的外殼本體，再將溫度控制器與外殼蒙皮電連接實現舵機外殼的整體溫度控制。4.一種使用權利要求1-2任一項的所述舵機外殼的方法，其特征在于，包括以下步驟：s1.識別舵機所處的沖擊環境或振動環境；s2.當舵機處于小沖擊環境或弱振動環境時，所述溫度控制器控制舵機外殼整體降溫，使舵機外殼剛度增加以提高其結構穩定性；當舵機處于大沖擊環境或強振動環境時，所述溫度控制器控制舵機外殼整體升溫，使舵機外殼剛度降低以提高其緩沖性能。

技術總結
本發明公開了一種剛度可變、減振與防護一體的舵機外殼，包括由形狀記憶聚合物制作的點陣結構的外殼本體、覆蓋所述外殼本體的金屬蒙皮和用于控制所述金屬蒙皮發熱的溫度控制器；所述溫度控制器通過控制金屬蒙皮的溫度以調節形狀記憶聚合物點陣結構的剛度。本發明的舵機外殼基于形狀記憶聚合物點陣結構設計加工而成，能夠根據溫度變化進行實時的剛度改變，進而實現主動性的大范圍沖擊防護與大范圍頻率隔振，實現了結構功能一體化，極大地降低了整體質量與結構復雜度。整體質量與結構復雜度。整體質量與結構復雜度。


技術研發人員：柏龍 陳曉紅 孫園喜 胡明金
受保護的技術使用者：重慶大學
技術研發日：2022.01.24
技術公布日：2022/6/10