面向结构形状控制的压电纤维复合薄膜驱动器布局方式与控制参数协同优化设计

能够根据工作环境改变翼面形状的自适应变形能力是未来航空、航天飞行器结构设计追求的重要目标。研究驱动器布局方式以及控制参数的设计技术是实现该目标的关键。以压电纤维复合薄膜(Macro fiber composites,MFC)作为驱动器,研究在一定数量的MFC驱动器条件下,通过驱动器布局与控制参数的协同设计,以实现类翼面平板结构具有理想形状的最优控制设计方法。以驱动器的铺设位置、铺设角度、层数、对称性以及控制电压为设计变量,以驱动器的击穿电压、铺设位置限制等为约束,建立多参数下的协同优化设计模型。数值算例以类机翼平板的弯曲、扭转、弯扭型面作为理想型面,以实际型面与理想型面在81个参考点位置的均方差为评价指标,设计获得弯曲、扭转和弯扭组合型面的均方差分别为9.977×10–5、4.394×10–4和5.308×10–4,实现了较高的变形控制精度。研究了驱动器数量对变形精度的影响,制作了具有6个驱动器的类翼面平板结构测试平台,仿真与试验结果高度吻合,从而验证了所提出的驱动器布局与控制电压协同优化设计模型的有效性和可行性。

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的形状记忆效应

为推动形状记忆聚合物在空间等极端恶劣环境中的应用,以超薄碳纤维增强聚醚醚酮(Carbon fibers reinforced polyether-ether-ketone,CF/PEEK)预浸料为实验对象,采用薄膜叠层与热压成型工艺制备厚度为0.036 mm超薄预浸料的层合片材,研究了其在热应力驱动下的形状记忆行为。结果表明,在320℃加热-冷却热循环温度场的作用下,CF/PEEK复合材料超薄层合板的初始变形的形状回复率近似可达100%,当变形循环达到100次时,其形状回复率仍然可以保持在90%以上。此外,根据层合板变形的温度与应力-应变关系,解释了CF/PEEK复合材料的热应力驱动变形机制。在此基础上,改变CF/PEEK层合板厚度进行仿真设计,实现了初始状态与深海珊瑚形状、立方体、灯笼草形状之间的变形与回复。利用记忆变形产生的机械夹紧力,完成了硬币抓取实验,验证了CF/PEEK复合材料在主动变形结构应用的可行性。