基于NiTi形状记忆合金的航空解锁装置设计与研制.pdf

Dec.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年1 2 月No.12Vol.40第40 卷第1 2 期机设 计械基于NiTi形状记忆合金的航空解锁装置设计与研制*崔江梅，杜旭荧，从保强3，曾志（1.成都工业学院材料与环境工程学院，四川成都611730;2.电子科技大学机械与电气工程学院，四川成都611731;3.北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191)摘要：现有航空火工解锁技术存在冲击大、污染大和难以重复利用等技术问题，文中设计研制了一种基于NiTi形状记忆合金的模块化航空解锁装置，分别采用有限元软件Workbench和ADAMS对解锁机构进行静强度校核和解锁运动分析，并开展了其动态执行过程的瞬态受力及行程分析。针对关键驱动部件一记忆合金驱动弹簧，研究了热处理工艺对相变及形变的影响作用机制，对试制的航空解锁装置进行了回复率和疲劳寿命测试。结果表明：基于形状记忆合金的航空解锁装置可实现大行程解锁，在3.0 A电流下驱动弹簧回复率可达到1 3.0%，有效疲劳寿命达到8 0 次以上，满足了航空器安全和重复投放的技术需求。关键词：航空解锁装置；形状记忆合金；热处理；疲劳性能；回复率中图分类号：V19文献标识码：A文章编号：1 0 0 1-2 354(2 0 2 3)1 2-0 0 9 1-0 6Design and fabrication of aeronautic unlocking device based onNiTi shape memory alloysCUI Jiangmei,DU Xuying,CONG Baoqiang,ZENG Zhi?(1.School of Materials and Environmental Engineering,Chengdu Technological University,Chengdu 611730;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,University of Electronic Science and Technology ofChina,Chengdu 611731;3.School of Mechanical Engineering and Automation,Beijing University of Aeronauticsand Astronautics,Beijing 100191)Abstract:Currently,the aeronautic pyrotechnic unlocking technology has some technical problems such as huge shock,largepollution,and low recyclability.In this article,a modular-oriented aeronautic unlocking device based on the NiTi shape memoryalloys is developed.The finite-element software Workbench and Adams are adopted to check the unlocking devices staticstrength and conduct the analysis on its unlocking motions.Furthermore,both the transient force and the stroke during the dynam-ic execution process are analyzed;efforts are made to explore the effect of the heat treatment process on phase transformation anddeformation of the key driving component-the memory-alloy driving spring.And then,the trial aeronautic unlocking device issubject to the test on its recovery rate and fatigue life.The results show that the aeronautic unlocking device based on the shapememory alloys ensures long-stroke unlocking.The driving spring can be used for more than 80 times,with its recovery rate of13.0%at the current of 3.0 A,which meets the technical requirements for aircraft safety and reuse.Key words:aeronautic unlocking device;shape memory alloy;heat treatment;fatigue performance;recovery rate收稿日期：2 0 2 1-1 1-0 5；修订日期：2 0 2 3-0 6-1 2基金项目：国家自然科学基金（51 7 7 50 9 1）；航空科学基金（2 0 2 0 0 1 1 0 2 50 0 2）；校级项目（2 0 2 2 ZR023）92计机第40 卷第1 2 期设械解锁装置广泛应用于航空和航天任务中，如星箭连接的分离、卫星上大型天线的空间展开和运输机货物投放等1-3。依靠解锁装置为有效载荷提供预紧力，保证其在发射或者飞行时能固定在航天器上，并能按照指令在指定的地点和时间完成投放任务。现阶段航空器上的解锁装置多采用火工装置4-6 ,存在解锁冲击大，易燃易爆，不易储存，污染大等缺点,并且均为一次性使用,其可靠性难以在使用前验证，在上述航天器上的应用受到很大的限制。近年来，非火工分离技术的研制受到了人们广泛的关注7-8 ,其中形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA因为其独特的形状记忆效应，在通电加热时发生相变，由低温马氏体转变为高温奥氏体，同时，产生较大的回复力和形变位移9-1 1 ，根据该特性设计的驱动器具有反应迅速、冲击较小且可重复利用性强的优点，继而成为领域内的关注热点1 2-1 4针对航天解锁分离负载的不同需求，美国AFRL（A i r Fo r c e Re s e a r c h La b o r a t o r y）基于 SMA研制了LFN(LowForce Nut）和TSN（T w o St a g e Nu t Cu t a w a y）两种解锁机构1 5，并在1 9 9 5年5月通过发射MightSat1星搭载的SMARD装置进行了在轨试验，验证了其有效性和优越性。赵颖1 6 设计了一款SMA空间解锁机构，主要用于卫星太阳帆板的锁紧释放，该结构具有释放快、体积小和质量小等特点。闫晓军等1 7 研制了一款快速SMA空间解锁装置，该装置具有体积小、解锁快和可重复使用等特点。目前，国内外基于SMA研制的各种解锁机构，大多都是基于SMA丝进行的结构设计1 8-2 0 ,其解锁行程相对较小,易导致误触发，且大多应用于空间/航天分离领域。文中基于相变可控的NiTi SMA弹簧,开展了一种具有较强承载能力、较大响应行程且可重复使用的模块化航空解锁装置设计，并验证了其回复特性和疲劳寿命，为深人研究基于SMA的型面可变航空智能结构奠定了技术基础。1构型设计航空解锁装置由NiTiSMA弹簧提供驱动力和形变，主要由底座组件、滑块、NiTiSMA弹簧、挡板组件、扭簧、锁紧扳手、轴承组件、复位弹簧和推杆组件组成，如图1 所示。底座组件滑块SMA弹簧挡板组件扭簧推杆组件复位弹簧轴承组件锁紧扳手图1解锁机构示意图锁紧时，挡板组件被锁紧扳手锁住下半部分，而锁紧扳手与挡板组件之间的接触角为9 0，可以承受不超过机构结构强度的载荷。而解锁时，NiTiSMA弹簧受热收缩，带动滑块右向滑动，推动和滑块相连的推杆组件给锁紧扳手左端施加顺时针的转矩，锁紧扳手在该转矩作用下克服挡板摩擦力施加的转矩，解除对挡板组件的限位，挡板组件在扭簧的作用下，逆时针旋转完成释放动作，如图2 所示锁紧扳手旋转解锁挡板解锁SMA弹簧加热收缩推杆前推复位弹簧被压缩旋转解锁图2解锁机构运动原理图2解锁装置力学模型及仿真分析为了方便力学分析计算，同时满足实际样机及工况负载要求，对解锁装置作出如下假设：（1）将底座组件和轴承组件等忽略，滑块、推杆、锁紧扳手和挡板组件等抽象为质点结构；（2）各部件间为理想约束；（3）忽略各运动副连接的间隙与摩擦2.1力和力矩平衡方程适当简化该解锁机构后，其受力分析如图3所示，滑块和推杆简化为质点A，锁紧扳手抽象为旋转杆BCD，挡板组件抽象为EFG。飞行器释放货物时，仰角按最大值9 计算，因为除了货物对挡板EFG的推力F推有影响，对其他区域的影响较小，故忽略不计。932023年1 2 月崔江梅，等：基于NiTi形状记空解锁装置设计与研制FSMA推+F推扭簧FBFED运动方向图3解锁机构受力分析图解锁机构解锁时，其临界状态为力矩平衡状态解锁动作锁紧扳手所受力矩平衡（以C点为计算中心）：Mc=FAL,-faL2=0(1)FA=FsMA-f(2)f=F宝+fi(3)式中f一-底座组件对滑块的滑动摩擦力，fi=um滑块g；f挡板对解锁扳手的摩擦力.f=uFD；一摩擦因数；FD锁紧扳手对挡板的作用力；FSMA弹簧克服阻力后的有效作用力；FSMA-NiTiSMA弹簧变形提供的驱动力；F货复位弹簧的阻力，在文中设计中考虑到足够设计余量，F取值1 0.0 N；SMA弹簧变形所受阻力。只有求解出FsMA=27.1N才能满足基本的解锁力需求。解锁动作挡板组件所受力矩平衡（以F点为计算中心）：M,=FpL4-FmL,-M扭=0(4)式中：F推载荷对挡板的正压力；M扭黄扭簧对挡板的扭矩。当锁紧扳手BCD解除对挡板EFC的限位后，FD值减小为O,锁紧扳手BCD在扭簧和载荷施加的扭矩下完成解锁2.2解锁行程当机构解锁时，如图4所示，根据设计参数，当挡板组件解锁释放时，锁紧扳手转动角度为1 1 因为BC杆长较小（取值为2 7 mm），LBBBB，根据锁紧扳手两端杆长可知解锁行程LBB：2TLBcLBBB5.1mm(5)三360NiTiSMA弹簧的设计装夹长度为1 0 0 mm。滑块向右滑动5.1 mm，即5.1%时，推杆推动锁紧扳手转动11,即可解除对挡板组件的限位，完成释放动作。BBDD图4解锁机构运动行程图3仿真方法3.1静强度校核基于ANSYSWorkbench有限元仿真软件对文中解锁机构进行静强度校核仿真分析。航空器在飞行过程中，释放载荷时（设计载荷m为1 50.0 kg），最大仰角为9，同时考虑飞机本身1.5g的冲击载荷，则施加载荷为：F=m1.5gXcos=2220.8N(6)设定机构底座固定，力加载于挡板正面，仿真解锁机构在航空器上处于最大负载时的受力情况，仿真结果如图5所示，最大应力点出现在挡板组件中间处，最大值为1 7 7.9 MPa，未超出9 6 1 不锈钢的材料强度，而最大形变处于挡板组件最上沿，最大位移仅为4.7 1 0-mm。在设计需求下，解锁装置静强度满足设计要求M1151ME(a）静强度应力云图A:StaticStructuradTotaiDeformetonTypeTotal DefotmathonUnitmmTime:15/20/202111-46.AM0.046538Max0.0413670.0361960.0310250.0258540.0206830.0155130.0103420.00517095.79e-37Min(b)静强度形变云图图5解锁机构静强度校核图94机计设械第40 卷第1 2 期3.2动力学仿真基于ADAMS动力学仿真软件对航空解锁机构进行动力学仿真，机构在解锁前，各杆件处于完全伸直状态，将NiTi SMA弹簧和扭簧抽象成力和扭矩。为了仿真机构的真实驱动状态，各个运动副不施加驱动力，将NiTi形状记忆合金回复力作为唯一驱动力，值取上文计算的临界解锁力，分析各个关键零件的位移量和转动角度，仿真时间为0.5s，结果如图6 所示。20603解锁扳手转角4-202挡板转角(。/转滑块位移-402-601-8040-1000.10.00.10.20.30.40.50.6时间/s1滑块开始位移；2 滑块动作完成；3解锁扳手动作完成；4挡板动作完成图6解锁装置各元件解锁动作时序图图6 中，随着解锁力的施加，滑块开始移动，当滑块位移到达5.0 mm，即NiTiSMA弹簧回复5.0%时，锁紧扳手也随之完成解锁动作。两者在结构上刚性连接，故完成时间一致，而挡板被锁紧扳手限位，要在解锁扳手完成解锁动作后，才开始释放动作，整个机构可以在0.1 s内完成整个解锁动作,转动角度达到9 0 仿真求出的锁紧扳手解锁角度和滑块解锁位移分别为11和5.0 mm（Ni T i SM A 弹簧回复5.0%），与上文计算的结果基本一致。4NiTi SMA解锁机构研制与测试4.1NiTiSMA弹簧制备与回复特性测试航空解锁机构基于NiTiSMA弹簧实现驱动和控制，不同热处理状态的弹簧回复特性差异较大，因此,开展弹簧的相变和形变性能研究至关重要。采用江阴佩尔科技有限公司生产的原子数分数为50.9%的Ni,0.7mm的NiTi丝（奥氏体完成温度A,=13）作为母材，热处理工艺参数如表1 所示。采用外径8 mm的粗牙螺杆绕制NiTiSMA弹簧，室温下放人热处理炉，随炉加热至50 0 后，保温时间1 h，随炉冷却后取出表1NiTiSMA弹簧热处理工艺参数时效温度/保温时间/h冷却方式5001随炉冷却经上文设计的热处理工艺处理得到的NiTiSMA弹簧参数如表2 所示表2NiTiSMA弹簧参数丝径/mm中径/mm有效圈数/匝冷态长度/mm装载长度/mm0.78.31215.0100.0截取长度为1 5.0 mm的弹簧样件，预拉伸至100.0mm，采用自制的微小力学试验机测试NiTiSMA弹簧在不同驱动电流（1.0 3.0 A,30s）下的回复性能。由上文的理论计算结果可知，解锁机构解锁时需要的临界解锁力为2 7.1 N，机构装载2 根弹簧。由图7可看出，当电流增大时，回复力也随之增大，当电流增大至2.2 A时，单根NiTiSMA弹簧的解锁力为15.1N,达到解锁力要求，当电流持续增大时，解锁力也随之增大，当电流增大至3.0 A时，解锁力达到最大值2 1.0 N。这是由于当电流较小时，弹簧发生了不完全马氏体转变，弹簧的回复力较小，随着电流的增大，马氏体转变率随之增大，回复力也随之增大，在电流达到能使马氏体完全转变时，后续电流再增大回复力也不会再增大2 1 22201816N/首回141210868.51.01.52.02.53.03.5电流/A图7NiTiSMA弹簧回复力曲线图4.2NiTiSMA弹簧疲劳性能测试航空解锁机构的疲劳性能主要由NiTi SMA弹簧的形状记忆效应和重复形变位移决定。采用2.2 A电流对其进行测试，选取负载为1 5.0 N，步骤及结果如下：(1)截取常温下有效长度为1 5.0 mm的弹簧样件；(2)将弹簧一边固定，另一边通过定滑轮悬挂一952023年1 2 月崔江梅，等：基于NiTi形状记亢空解锁装置设计与研制个1.5kg的码；（3)通电并采用激光位移传感器实时记录弹簧位移；（4)循环测试1 50 次，得到回复率的曲线集，如图8所示。6.05.55.0回4.54.03.53.0020406080100120140160循环次数/次(a)5%循环回复时长542020406080100120140160循环次数/次(b)循环累计变形率图8NiTiSMA弹簧循环回复曲线累计变形随着循环次数增多而迅速增大，当循环次数到达9 0 次后，累计变形量的增大速率逐渐减小至接近零，最终循环1 50 次后的累计变形率为4.3%。这是因为随着循环次数的增加，在外加应力热循环过程中马氏体与母相相界面不断运动，位错不断增加，这些位错对马氏体形核提供了有利条件，但这些增殖的位错使热弹性马氏体自协作程度减小，共格界面逐步过渡到半共格界面，对马氏体相变产生更大阻力，即预应变相同的情况下，由热弹性马氏体提供的可恢复应变变小，不可回复的应变增大，从而导致记忆功能衰减2 2 。因此,NiTi SMA弹簧在使用前，需要进行适当的预训练，以度过前期的快速疲劳期，从而获得较为稳定的回复特性。4.3航空解锁装置研制与测试验证航空解锁装置和弹簧的测试图如图9 所示。两侧的NiTiSMA弹簧用相同的直流电源施加相同的电流，电流从2.2 A逐渐增大至3.0 A，增大步幅为0.2 A，记录下测试的回复率。MESYEN(a)解锁装置(b)弹簧测试图9航空解锁机构回复测试图1 0 为弹簧和机构分别在不同电流下解锁后的回复率，可知，随着电流的增大，弹簧的加热速度加快，弹簧的解锁时间随之缩短，弹簧的回复率也能在解锁前迅速增大。图1 0 中机构的回复率比弹簧的回复率低是由机构的摩擦力作用造成的，机构的回复率在电流达到最大值3.0 A时，回复率达到最大值13.0%。与上文的疲劳测试对比，可以很清楚得知，在2.2 A电流下，机构最大回复率为8.0%，而解锁回复率为5.0%，而机构的有效循环次数为8 0 次，本次试验的预载荷比实际装置的大，实际有效循环次数会比8 0 次更多18一弹簧16一机构14%/率真回121082.02.22.42.62.83.03.2电流/A图1 0解锁机构回复率96机计设械第40 卷第1 2 期5结论（1)基于NiTi SMA的形状记忆效应设计了一种新型模块化航空解锁装置，采取理论建模、计算仿真、优化设计和试验验证相结合的方法对其解锁力及解锁行程等进行建模分析，结果表明：文中的航空解锁装置具备大行程和高疲劳寿命等技术特点(2)针对NiTiSMA弹簧驱动器，分析热处理工艺流程对其回复特性和疲劳性能的影响。经过50 0 时效处理1 h，随炉冷却得到的NiTiSMA弹簧具有良好的形状记忆效应和疲劳寿命,其回复力在2.2 A电流时可达到解锁需求的1 5.1 N，在驱动电流增大至3.0A时，解锁力达到2 1.0 N。(3)解锁机构在2.2 3.0 A的电流下实现了大位移解锁，在3.0 A电流下可实现1 3.0%的回复率。完成一次解锁动作后，装置各组件均可重置，无需更换任何部件，其有效疲劳寿命多于8 0 次。参考文献1蔡逢春，孟宪红。用于连接与分离的非火工装置J.航天返回与遥感，2 0 0 5（4）：50-55.2熊诗辉.形状记忆合金连接分离装置的若干研究D.北京：北京理工大学，2 0 1 5：2 6-54.3杨斌久，王振威，盖玉先航天器非火工释放装置研究进展J.机械设计与制造，2 0 1 8（3）：2 6 7-2 6 9.4胡照.火工品制造工艺的发展J.硅谷，2 0 1 0（6：1 2 7.5李志强。火工装置在航天飞行器上应用J航天返回与遥感，1 9 9 7(2)：6 3-6 7.6郝芳，刘世毅航天火工技术的发展与展望J航天返回与遥感，2 0 1 8，39(4）：9 5-1 0 0.7仲作阳，张海联，周建平，等。航天器非火工连接分离技术研究综述J载人航天，2 0 1 9，2 5（1）：1 2 8-1 42.8Lee M S,Jo J U,Tak W J,et al.Shape memory alloy(SMA)based non-explosive separation actuator(NEA)witha redundant function J.International Journal of PrecisionEngineering&Manufacturing,2011,12(3):569-572.9陈钊，徐淑琼形状记忆合金J科技视界，2 0 1 9(13):25-26.1 0】冯辉，贺志荣，刘康凯，等。Ti-Ni基形状记忆合金的特性及应用研究进展J铸造技术，2 0 1 8，39（6）：1 37 9-1383.11贺志荣，王永善，刘艳，等。不同加工态Ti-Ni基形状记忆合金相变、形变特性研究进展J材料导报，2 0 0 9，23(17):80-84.12 Tak W,Lee M,Kim B.Ultimate load and release time con-trollable non-explosive separation device using a shape mem-ory alloy actuator J.Journal of Mechanical Science andTechnology,2011,25(5):1141.13 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6.作者简介：崔江梅（1 9 8 2 一），女，讲师，硕士，研究方向：智能材料加工技术。E-mail:cjmei 曾志（通信作者）（1 9 8 2 一），男，教授，博士，研究方向：先进制造技术。E-mail;zhizeng