[发明专利]一种基于变厚度板的多稳态变体结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于变厚度板的多稳态变体结构，属于智能材料与结构领域。

背景技术

多稳态结构能够在外界阈值驱动力的作用下，迅速发生状态跳转并稳定保持在不同的稳态构型，该结构具有定位精度高、重复性好、状态保持无功耗、抗干扰能力强及可靠性高的优点，在建筑安全工程、智能飞行器、传感与执行系统、车辆安全保护系统、智能航天可展开系统、快速制动容器、消费电子系统等领域具有广泛的应用前景。

借助其优良的力学特性，多稳态变体结构已成功用于制作航空流体动力学表面和可展开的太阳能面板等重要结构。目前实现空间多稳态功能的途径主要依靠双稳态结构叠加和互连的方法，然而受双稳态稳定位置个数的限制，该类多稳态结构存在稳定构型少、变形控制精度低和结构形式单一的弱点。例如，文献K.Seffen在“Bi-stable concepts for reconfigurable structures”（45th AIAA Structures,Structural Dynamics and Materials Conference Palm Springs，Calif，19-22Apr.2004，NO.2004-1526)和文献K.Seffen在“Mechanical memory metal：A novel material for developing morphing engineering structures(Scriptal Materialia(2006)volume55,number4,pp.411-414)中提出具有均匀截面的圆形穹顶单胞结构，该单胞仅能实现双稳态特性。文献中通过在平板上布置不同阵列的单胞圆顶，并通过修改单胞的取向来获得不同稳态构型。文献Mohammad R.G.“Morphing Mutistable Textured Shells”（Proceedings of the IASS Symposium2009，Valencia，28Sep-2Oct.2009)利用具有正弦曲线剖面的凹凸板壳结构来实现不同稳定构型，但其单个凹凸单元仍然仅存在双稳态功能，限制了其稳定构型的个数及变化形式。美国专利US2009/0186196提出一种波纹板式多稳态结构，通过控制波纹板上褶皱的数目和褶皱的幅度，来改变波纹板的刚度，从而双稳态效果。由于多稳态变体结构的稳态构型与实际的应用需求密切相关，现有的依靠双稳态结构叠加来实现多稳态结构的设计办法，其变形精度已难以满足智能和特定变形的应用需求。因此，设计具有不同稳态构型的多稳态变体结构已成为重要的发展趋势，也是进一步解决变体结构稳态位置设计的重要技术途径。

发明内容

根据上述提出的技术问题，针对现有板壳类跳跃结构仅存在单一的双稳态功能的弱点，而提出一种基于变厚度板的多稳态变体结构，即通过环向加强筋的合理布置使结构具有双稳态、三稳态、四稳态及多稳态功能，并具备多个稳态之间的转换功能。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于变厚度板的多稳态变体结构，其特征在于：包括圆环状的端部水平板、锥形板和中心水平板，所述端部水平板与所述锥形板的一端光滑连接，所述中心水平板与所述锥形板的另一端光滑连接；在所述锥形板至少一侧的表面上设置n个环向加强筋，所述锥形板与所述环向加强筋构成至多为n+2个稳态结构，其中，n为大于等于零的整数，即n=0、1、2、3、4……，当n为0时，本发明为二稳态结构；n为1时，为三稳态结构；n为2时，为四稳态结构，以此类推。

作为优选，所述锥形板为均匀截面的锥形板，所述锥形板的截面轮廓线为直线（即圆锥板形式）、余弦曲线、或椭圆曲线，所述锥形板的截面为通过中心轴方向的截面；所述锥形板的周向切面与水平面构成的轮廓倾角小于90°，周向切面是指沿锥形板的外表面最高点处的切面，只有当锥形板与水平面之间形成一定的倾角时才能实现稳态结构。

作为优选，以中心水平板的中心轴为对称轴，将所述多稳态变体结构的截面轮廓分成对称的两部分，以中心轴与所述端部水平板所在平面的交点为坐标原点，所述端部水平板在xy平面，其中一部分的截面轮廓符合下述函数：

①水平-余弦-水平组合曲面，