[发明专利]一种可变刚度复合材料结构

说明书

本发明属于智能结构领域，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。

技术领域

本发明涉及智能结构领域，具体涉及一种可变刚度复合材料结构。

背景技术

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。

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：

(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 bythe octopus[J].Materials Science and Engineering:C.2011,31(6):1230-1239.

(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；LIY,CHEN Y,YANG Y,et a1.Passive particle jamming and its stiffening of softrobotic grippers[J].IEEE Transactions on Robotics,2017,33(2):446-455.

(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 ofGranular Material[J].IEEE Transactions on Robotics,2012,28(2):341-350.

(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.Anovel layer jamming mechanism with tunable stiffness capability for minimallyinvasive surgery[J].IEEE Transactions on Robotics,2013,29(4):1031-1042.

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变刚度复合材料结构。

本发明的技术方案如下：

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。

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。