基于形状记忆合金的分离装置驱动机构研究

发布时间：2021-12-16 19:25

　　为了降低或消除传统火工分离装置驱动机构作用时对邻近结构产生的较大冲击,采用Ni Ti形状记忆合金材料,基于压杆稳定的基本原理,设计了一种新型的分离装置驱动机构,并开展驱动机构驱动力及作用冲击测试。实验结果表明,该驱动机构触发能量低,相比传统分离装置冲击水平大幅降低,并且驱动力满足设计要求。 

【文章来源】：火工品. 2020,(05)北大核心CSCD

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

形状记忆合金细长杆件的失稳与形状恢复过程示意图

形状记忆（Shape Memory Alloy,SMA）之所以成为降低冲击的首选驱动元件的材料，主要是因为这种材料具有形状记忆效应（Shape Memory Effect,SME）。SME是指材料能够记忆住原始形状的功能，材料在高温下定型后，冷却到低温并施加外力作用变形，使其存在残余变形；被加热至高温后，就可以使原先存在的残余变形消失，恢复到变形前的形状或尺寸[2]。将SME作为火工分离装置的驱动元件，要求其在正常使用状态下，能够适应环境条件而不发生误动作；在加热一定时间后，产生的形状恢复力能够克服约束条件，驱动一定的行程后，完成解锁功能。大部分武器系统对温度环境的要求均有所加严，但基本在-55～80℃范围内（特殊要求的除外）。因此，记忆合金材料在该范围内不应该发生马氏体逆相变，即马氏体逆相变的开始温度As必须大于80℃，才能保证驱动机构不被环境条件意外触发。As温度越高，则整个分离装置对温度环境的适应能力则越强。近年来，SMA研究所取得的进展主要体现在对Ni-Ti基、Cu基SMA的基础研究上，Ni-Ti,Cu-Zn-A1和Cu-Al-Ni合金具有实用价值，被誉为热驱动的功能材料[3]。其中，Ni Ti形状记忆合金拥有相对合适的相转变温度范围和形状记忆效应，对外输出最大应变可达8%，恢复应力最大可达800MPa[4]，该合金还具有比强度高、耐腐蚀、耐磨损等特性，热加工性能比较好。因此，本文的驱动元件选用等原子比Ni Ti合金，其DSC扫描图见图1所示。由图1可看出，Ni Ti合金的马氏体逆相变起始点As为81.15℃，武器系统的工作温度环境一般在-55～80℃范围内（特殊要求的除外），在此环境下不会发生意外触发，因此可用于原理性试验；马氏体逆相变结束点Af为104.56℃，略高于沸水温度，在驱动元件单独进行原理性试验时，甚至可以用沸水作为加热介质，便于试验的开展。

为便于直杆样件预变形过程的实现，驱动元件选用了直径Φ2.5mm的等原子比Ni Ti材料。细杆设计原长为50mm，按预定高度44mm进行轴向失稳压缩，若能够完全形状恢复，则可以获得6mm的位移量。按弯曲过程细杆的单侧拉伸（或压缩）的线性尺寸计算，弯曲后的总应变约为5%，没有超出该材料的最大可恢复应变。由于材料直径较小，所以单件驱动元件的驱动力较小。为尽可能提高整个驱动机构的驱动力，采用多根细杆并列组合的结构，并相应设计了输出端盖和输入端盖，用于细杆的定位；在端盖外侧设计了储能壳体，主要用于输出端盖被驱动过程的导向，同时形成封闭容腔，作为输入热量的结构载体。单根驱动元件如图3(a）所示，驱动机构结构如图3(b）所示，储能壳体结构如图3(c）所示。2 实验结果与分析

【参考文献】：
期刊论文
[1]形状记忆合金（SMA）弹簧动作器的设计研究[J]. 于月民,郝俊才.  机械设计与制造. 2008(11)
[2]记忆合金在弹箭引信安全系统中的应用研究[J]. 韩志礼,刘江南,李高宏.  探测与控制学报. 2005(05)
[3]形状记忆合金智能结构的研究进展[J]. 阎绍泽,徐峰,刘夏杰,王金辉.  精密制造与自动化. 2003(S1)
[4]SMA弹簧驱动器驱动机理及实验[J]. 王金辉,徐峰,阎绍泽,温诗铸.  清华大学学报(自然科学版). 2003(02)



本文编号：3538696