一种热驱结构及其设计方法

本发明涉及材料及机械设计领域，具体涉及一种热驱结构及其设计方法。

背景技术：

1、随着新型材料逐渐开发和利用，热响应纤维材料以其自身强大的可塑性及可以实现并维持自激震荡运动而广为关注，从而有望涉及多个领域。同时，一些传统设备的缺点正在正随着社会的进步而被逐渐放大，急需新的发明创造来代替，例如传统木工钻，其主要依靠人力及电力提供机械能以维持设备正常使用。具体来说传统木工钻是一种简易的钻孔的工具，早期由木头和金属制成并且只能在木材上开孔，费时费力。随后便有了电钻，但依旧需要人力来维持作业。不但如此，传统的木工钻耐久性差，精度不高等一系例问题。

2、所以，由于以上问题的存在，本发明提供了一种热驱结构及其设计方法。

技术实现思路

1、本发明提出的热驱结构及其设计方法是针对传统钻机存在的人力提供、自动化作业和耐久性不足等问题的解决方案，其利用热能直接转化为机械能，从而减少能量转化过程中的损耗。这项发明的优势在于其能够实现自动化作业，不再需要依赖人力，从而提高了效率和生产率。

2、此外，由于直接的能量转化，也减少了能量在储存和再利用过程中的损耗，提高了能源利用效率。这种创新的热驱结构和自旋转钻机有望在采矿、建筑和其他领域发挥重要作用，为工作效率和能源利用效率带来积极影响。

3、根据本发明第一发面实施例的热驱结构，包括热响应伸缩件、旋转杆、热源区和外框架；所述热响应伸缩件的个数至少为2根，且所述热响应伸缩件须均匀缠绕于旋转杆外侧并于两侧分别延长，所述热源区为旋转杆外表面，并以旋转杆的圆心为基点，圆心角为360°；须提供初速度于旋转杆，使一端热响应伸缩件移动至热源区，继而产生应力作用于旋转杆而产生反向加速度。又因为惯性的存在，使得旋转杆产生反向速度，进而使该端热响应伸缩件退出热源区，另一端热响应伸缩件进入热源区；最终上述操作反复实现，从而保持旋转杆持续转动。

4、优选的，所述热响应伸缩件为弹性热敏液晶纤维，可以是热敏纤维，包括第一热敏纤维1和第二热敏纤维2；所述弹性热敏液晶纤维是由液晶弹性体(lce)材料制成，其受到热源区辐射时会收缩，产生应力，拉动旋转杆，导致所述旋转盘受力不均而运动；所述弹性热敏液晶纤维移出热源区时恢复至原始状态。

5、根据本发明第二发面实施例的，热驱结构的设计方法，对以上所述的热驱结构进行设计，包括以下步骤：

6、步骤s1:对旋转杆做受力分析，其中包括：旋转力矩和阻尼力矩,由此，通过动量矩定理推导出相应的自旋钻机的非线性动态控制方程为：

7、

8、-阻尼系数，-惯性矩，-力矩，-旋转杆的旋转角加速度,-旋转杆的旋转角速度，-旋转杆围绕其中心点的惯性矩，-旋转力矩，-时间；

9、其中，初始条件为：

10、当，即；

11、步骤s2:确定旋转力矩值；

12、为了简化公式，提出四个假设：

13、1、热敏纤维的质量可以忽略不计；

14、2、热敏纤维的横截面形状在张力作用下保持不变；

15、3、将忽略热敏纤维之间的摩擦；

16、4、整个热敏纤维的张力均匀均匀。

17、其次，整个过程存在解绕状态和卷绕状态两个状态；

18、解绕状态求得旋转力矩值；

19、，

20、

21、，

22、

23、，

24、

25、-纤维张力，-纤维长度，-纤维初始长度，-旋转半径，-惯性矩

26、其中，

27、卷绕状态求得旋转力矩值；

28、

29、其中；

30、步骤s3：通过弹性应变和位移的关系以及热应变与温度的关系确定lce张力的值；

31、

32、-弹簧常数，-热膨胀系数；

33、优选的，积分上限；

34、则上式可写成：

35、

36、步骤s4：在热敏纤维的振荡过程中，热敏纤维与环境之间存在热交换，其温度分布为，并提出热敏纤维震荡中的温度场公式为：

37、

38、其中特征时间，

39、步骤s5：给出空间坐标的公式：

40、

41、步骤s6：将上述步骤s3于步骤s5的公式结合，得到公式：

42、

43、本发明还提出了一种基于热驱结构的新型自旋转钻机，包括上述热驱结构、轴承传动结构、电源、固定销、飞轮、支撑框架和钻头。轴承传动结构与其他各个部件或结构连接，贯穿整体，其上端链接支撑框架顶部，下端连接飞轮、固定销和钻头，中间连接热驱结构。而下部飞轮置于固定销上端，通过内置销固定于轴承传动结构上。钻头通过固定销固定于轴承传动结构的下末端。同时，支撑框架内置电源，通过电源加热轴承传动结构。

44、优选的，整体结构选择耐高温材料

45、与现有技术比较本发明的有益效果在于：

46、1、本发明通过使用热敏纤维（lce）的受热后会沿其长度方向上发生收缩形变的特性，构造了热驱结构，可在热源条件下做持续转动，将热能转换为机械能，该热驱结构及其基于的自旋转钻机考虑了零件制备的易用性，并确保了运动时的稳定性，同时尽量减少了污染和资源浪费，实现了节能减排的目标。

47、2、本发明的基于热驱结构的新型自旋转钻机具有储能特性，与市面上的电工钻或手工钻需要直接电源的性质不同。可实现特种作业以及短时间的自供电作业。

技术特征：

1.一种热驱结构，其特征在于，包括热响应伸缩件、旋转杆（2）、热源区和外框架（3），所述热响应伸缩件的个数至少为2根，且所述热响应伸缩件须均匀缠绕于旋转杆（2）外侧并于两侧分别延长，所述热源区为旋转杆（2）外表面，并以旋转杆（2）的圆心为基点，圆心角为360°，须提供初速度于旋转杆（2），使一端热响应伸缩件移动至热源区，继而产生应力作用于旋转杆（2）而产生反向加速度，惯性使得旋转杆（2）产生反向速度，进而使该端热响应伸缩件退出热源区，另一端热响应伸缩件进入热源区，上述操作反复实现，进而保持旋转杆持续转动。

2.根据权利要求1所述的热驱结构，其特征在于，所述热响应伸缩件为弹性热敏液晶纤维，所述弹性热敏液晶纤维是由液晶弹性体(lce)材料制成，其受到热源区辐射时会收缩，产生应力，拉动旋转杆，导致所述旋转盘受力不均而运动，所述弹性热敏液晶纤维移出热源区时恢复至原始状态。

3.根据权利要求1或2所述的热驱结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明提供了一种热驱结构及其设计方法，热驱结构包括热响应伸缩件、旋转杆、热源区和外框架；所述热响应伸缩件的个数至少为2根，且所述热响应伸缩件须均匀缠绕于旋转杆外侧并于两侧分别延长，所述热源区为旋转杆外表面，并以旋转杆的圆心为基点，圆心角为360°；须提供初速度于旋转杆，使一端热响应伸缩件移动至热源区，继而产生应力作用于旋转杆而产生反向加速度。又因为惯性的存在，使得旋转杆产生反向速度，进而使该端热响应伸缩件退出热源区，另一端热响应伸缩件进入热源区；最终上述操作反复实现，从而保持旋转杆持续转动。由此实现自动化作业，不再需要依赖人力，从而提高了效率和生产率。技术研发人员：余勇,徐宣凯,周琳,李凯受保护的技术使用者：安徽建筑大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15