[发明专利]基于4D打印的可展开天线背架结构的变形调控方法

说明书

本发明公开了一种基于4D打印的可展开天线背架结构变形调控制备方法。方法包括：确定可展开天线背架结构的4D打印杆组的初始收拢状态和目标展开状态；预设4D打印杆组的外部变化温度、外部载荷和材料分布；建立4D打印杆组的优化模型，获得4D打印杆组的最佳的外部变化温度、外部载荷和材料分布；3D打印出4D打印杆组，并搭建可展开天线背架结构。本发明制造成本低、结构简单、容易控制，将多材料应用于4D打印并打印搭建出可展开天线背架结构，可在外部载荷和外部变化温度条件下实现可展开天线背架结构的变形调控。

技术领域

本发明涉及了一种功能形面的变形调控方法，具体涉及一种基于4D打印的可展开天线背架结构的变形调控方法。

背景技术

复杂功能形面是指可以实现一些光、电、热、磁等特定物理功能的复杂曲面，是反射面天线、光学望远镜、超大型液压平台等复杂机电装备的重要基础设施，功能形面的结构形式、功能精度是复杂机电装备性能实现的重要保障。功能形面往往会有多个运动状态，通过形面后面的背架结构进行调控。传统的背架结构由铰链、桁架和扭簧等组成，优点是控制精度高、驱动速度快，缺点是背架结构复杂、制造成本高等，所以寻找一种设计简单、控制方便的背架变形调控的方法是必须的。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明使用4D打印方法制备可展开天线背架结构，提供一种基于4D打印的可展开天线背架结构变形调控方法。

本发明采用的技术方案是：

可展开天线背架结构变形调控制备方法包括如下步骤：

1)确定可展开天线背架结构的4D打印杆组的初始收拢状态、中间临时状态和目标展开状态；

2)预设4D打印杆组的外部变化温度、外部载荷和材料分布；

3)在abaqus软件中建立4D打印杆组的优化模型，将外部变化温度、外部载荷和材料分布输入优化模型中，并通过4D打印杆组的初始收拢状态、中间临时状态和目标展开状态对输入的外部变化温度、外部载荷和材料分布进行优化分析，获得4D打印杆组的最佳的外部变化温度、外部载荷和材料分布；

4)根据步骤3)中获得的最佳的外部变化温度、外部载荷和材料分布，3D打印出4D打印杆组，并搭建可展开天线背架结构。

所述的步骤2)中，4D打印杆组包括若干4D打印杆，针对4D打印杆组中的每根4D打印杆，均进行以下操作：

将在初始收拢状态时的4D打印杆的轴截面均分为若干网格节点，并预设4D打印杆由PLA材料和TPU材料构成，在Python中对PLA材料和TPU材料分别编码为1和0，将每个网格节点对应其中一种材料，即将每个网格节点对应其中一种编码，作为预设的4D打印杆的材料分布；

预设的外部变化温度为先升温再降温，即先从外部变化温度中的最低温升温至最高温，再降温至最低温；

预设的外部载荷为4D打印杆的各个网格节点的外部载荷。

所述的步骤3)中，针对4D打印杆组中的每根4D打印杆，均进行以下操作：

3.1)将预设的4D打印杆的外部变化温度、外部载荷和材料分布输入至4D打印杆组的优化模型中，通过预设的材料分布仿真4D打印杆为初始收拢状态，并根据预设的外部变化温度，先从最低温升温至最高温，再对仿真的4D打印杆施加预设的外部载荷，使仿真的4D打印杆变形为中间临时状态，然后从最高温降温至最低温，再卸载预设的外部载荷，4D打印杆从中间临时状态轻微回弹并保持为实际变形状态；

3.2)建立xy坐标系，并建立适应度函数f；

针对每根4D打印杆中的每一个网格节点，提取从初始收拢状态变形至实际变形状态过程中，网格节点在y方向上产生的实际位移获取从初始收拢状态变形至目标展开状态，网格节点在y方向上所需的目标位移并进行以下判断：