一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构和应用

本发明属于太阳翼结构设计，具体涉及一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构和应用。

背景技术：

1、目前，随着航天器平台功能的增强，能源需求快速增加，已经从低于几千瓦提高到几十千瓦以上，未来还会达到兆瓦级的应用需求，大面积可折展太阳翼是解决大型航天器能源需求的重要产品和主要应用发展方向之一。传统的可折展太阳翼存在重量大、结构收纳体积大等问题，且在大型化、轻质化、高收纳以及高刚度间存在矛盾，无法同时满足，难以达到任务要求。

2、因此，开发一种刚柔并济-智能可折展太阳翼，集成大型化、轻质化、高刚度、高收纳以及高承载的新型太阳翼结构成为新的挑战。

技术实现思路

1、为了解决传统的可折展太阳翼存在重量大、结构收纳体积大，且在大型化、轻质化、高收纳以及高刚度间存在矛盾，无法同时满足，难以达到任务要求的问题，本发明提供了一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构和应用。

2、为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构，包括至少两层蒙皮层，相邻两蒙皮层之间固定设置有芯层，所述蒙皮层为可折平展平折纸结构；所述芯层包括若干个均匀规律排布的可折展管状折纸结构，每个可折展管状折纸结构的上、下两端面分别与对应的上下两层蒙皮层固定连接，所述蒙皮层和芯层所采用的材料均为形状记忆材料。

4、进一步的，所述可折平展平折纸结构为miura折纸结构或任何基于miura折纸衍生的可折平展平折纸结构；所述可折展管状折纸结构包括kresling管状折纸结构、yoshimura折纸结构或任何基于以上折纸衍生的可折展管状折纸结构。

5、进一步的，所述可折平展平折纸结构包括多个miura结构单胞，相邻两层对应的miura结构单胞之间设置有多个可折展管状折纸结构，每个miura结构单胞中设置可折展管状折纸结构的个数由miura结构单胞的几何构型而定。

6、进一步的，每个所述可折展管状折纸结构包括层叠设置的2n个可折展管状折纸单胞，其中，n为正整数，相邻两层可折展管状折纸单胞的接触面固定连接。

7、进一步的，相邻两层蒙皮层和层间的芯层之间的连接方式包括胶粘剂粘合、缝合中的一种或两种方式的组合。

8、进一步的，所述形状记忆材料包括形状记忆合金、形状记忆聚合物和形状记忆复合材料中的一种或多种的组合。

9、进一步的，所述形状记忆复合材料的增强相材料包括石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或纤维织物产品中的一种或多种的组合。

10、一种所述的基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构的应用，包括以下步骤：

11、步骤一、当需要折叠时，分两步进行，首先将3d状态下的智能可折展高刚度太阳翼结构加热到所用材料的形状记忆温度以上，智能可折展高刚度太阳翼结构整体变软，3d展开状态下可折展管状折纸结构沿折痕转变为2d折叠状态；然后，展开状态下的蒙皮层再按预设定的蒙皮层折痕折叠进而转变为2d折叠状态，将展开的太阳翼结构折叠成设计的折叠状态；

12、步骤二、当需要展开时，激发形状记忆材料的形状记忆效应，蒙皮层和芯层同时展开，整体结构按设计的折痕展开为设计的3d展开状态，当形状记忆材料冷却后提供结构的刚度需求。

13、进一步的，形状记忆效应的激发方式包括热激发、电激发、磁激发、电磁激发、光激发、化学感应激发中的一种或多种的组合。

14、在激发形状记忆材料的形状记忆效应时，向可折展管状折纸结构的内部充气，辅助结构的顺利展开。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、1、本发明基于二维转三维立体构型思想，提出了通过刚柔智能转换实现变构型的可折展太阳翼，可折展太阳翼芯层采用可折展管状折纸结构，并经过结构参数设计实现变刚度功能，刚度的提升大大提高了太阳翼蒙皮层的形面精度，减少共振的发生。

17、2、本发明设计的可折展高刚度太阳翼蒙皮层采用可折平展平折纸结构，保证太阳翼面的表面平整性。

18、3、本发明设计的可折展高刚度太阳翼采用可折平展平折纸结构蒙皮层和可折展管状折纸结构芯层，折叠后收纳度高，可以节省大量空间。

19、4、本发明设计的可折平展平折纸结构蒙皮层和可折展管状折纸结构芯层实现变构型的诱导方式，简单快捷，智能化。

20、5、本发明设计的基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼，可折展管状折纸结构的角度等参数可以进行设计和优化，实现不同刚度的调节需求，以满足不同应用对象的要求，适应性广泛。

21、6、本发明设计的基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼兼具轻质、高刚度和可折展的优势，有利于解决传统太阳翼高刚度与高收纳的矛盾，对空间可折展太阳翼的应用具有推动作用。

22、7、本发明通过激发形状记忆材料的形状记忆效应，使太阳翼的折展方式简单快捷。

技术特征：

1.一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构，其特征在于：包括至少两层蒙皮层(1)，相邻两蒙皮层(1)之间固定设置有芯层(2)，所述蒙皮层(1)为可折平展平折纸结构；所述芯层(2)包括若干个均匀规律排布的可折展管状折纸结构，每个可折展管状折纸结构的上、下两端面分别与对应的上下两层蒙皮层(1)固定连接，所述蒙皮层(1)和芯层(2)所采用的材料均为形状记忆材料。

2.根据权利要求1所述的一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构，其特征在于：所述可折平展平折纸结构为miura折纸结构或任何基于miura折纸衍生的可折平展平折纸结构；所述可折展管状折纸结构包括kresling管状折纸结构、yoshimura折纸结构或任何基于以上折纸衍生的可折展管状折纸结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构，其特征在于：所述可折平展平折纸结构包括多个miura结构单胞(11)，相邻两层对应的miura结构单胞之间设置有多个可折展管状折纸结构(2)，每个miura结构单胞(11)中设置可折展管状折纸结构(2)的个数由miura结构单胞(11)的几何构型而定。

4.根据权利要求1所述的一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构，其特征在于：每个所述可折展管状折纸结构包括层叠设置的2n个可折展管状折纸单胞，其中，n为正整数，相邻两层可折展管状折纸单胞的接触面固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构，其特征在于：相邻两层蒙皮层(1)和层间的芯层(2)之间的连接方式包括胶粘剂粘合、缝合中的一种或两种方式的组合。

6.根据权利要求1所述的一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构，其特征在于：所述形状记忆材料包括形状记忆合金、形状记忆聚合物和形状记忆复合材料中的一种或多种的组合。

7.根据权利要求6所述的一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构，其特征在于：所述形状记忆复合材料的增强相材料包括石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或纤维织物产品中的一种或多种的组合。

8.一种权利要求1-7任一权利要求所述的基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构的应用，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：形状记忆效应的激发方式包括热激发、电激发、磁激发、电磁激发、光激发、化学感应激发中的一种或多种的组合。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：在激发形状记忆材料的形状记忆效应时，向可折展管状折纸结构(2)的内部充气，辅助结构的顺利展开。

技术总结一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构和应用，属于太阳翼结构设计技术领域。具体方案如下：一种基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼结构，包括至少两层蒙皮层，相邻两蒙皮层之间固定设置有芯层，蒙皮层为可折平展平折纸结构；芯层包括若干个均匀规律排布的可折展管状折纸结构，每个可折展管状折纸结构的上、下两端面分别与对应的上下两层蒙皮层固定连接，所述蒙皮层和芯层所采用的材料均为形状记忆材料。本发明设计的基于折纸的智能可折展高刚度太阳翼兼具轻质、高刚度和可折展的优势，有利于解决传统太阳翼高刚度与高收纳的矛盾，对空间可折展太阳翼的应用具有推动作用。技术研发人员：陶强,王煜,陈晓宇受保护的技术使用者：青岛大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27