一种薄壁弹性铰链结构

专利摘要:
本实用新型涉及一种薄壁弹性铰链结构，包括第一弹性曲面薄壁件、第二弹性曲面薄壁件；所述第一弹性曲面薄壁件、第二弹性曲面薄壁件的截面形状为两个圆弧段中间夹一个直线段形式；所述第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件凹面朝外对称放置且所述第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件的直线段部分叠合固定形成连接部，连接部的两端与连接接头相连，当在铰链两侧施加压力时，第一弹性曲面薄壁件、第二弹性曲面薄壁件叠合成矩形并弯曲180°实现收拢，卸除压力后利用结构存储的应变能实现自动展开。具有结构简单、重量小、无机械间隙、收拢体积小等优点。
公开号:CN214331174U
申请号:CN202022421429.1U
申请日:2020-10-27
公开日:2021-10-01
发明作者:王滢红；恽卫东；曹争利；秦礼；谢超；彭福军；耿海峰
申请人:Shanghai Aerospace System Engineering Institute；
IPC主号:F16C11-04

专利说明:
[n0001] 本实用新型涉及空间结构机构技术领域，特别是涉及一种薄壁弹性铰链结构。
[n0002] 未来航天器具有大型化、轻量化、智能化的发展趋势，大型结构在发射前需要收拢折叠,往往需要用到铰链。传统铰链机构构型复杂不易小型化，展开精度容易受机械间隙的影响，且重量大、锁定时冲击力较大，不适合薄壁结构的连接。新型薄壁弹性铰链在收拢状态存储应变能，当锁定力释放后可以借助自身应变能实现展开，无机械间隙，重量非常小，易于实现小型化和智能化，可以很好的弥补传统铰链的不足。
[n0003] 目前已公开的薄壁铰链结构主要有三种截面构型，专利CN207550546U介绍了一种管状开口薄壁弹性铰链，该铰链的两端在铰链收拢时无法压扁，因此厚度方向收拢效率不高；专利CN209441679U介绍了一种豆荚截面薄壁弹性铰链，该铰链若要实现收拢状态铰链完全压扁，必须给铰链端部的连接头增加活动自由度，会增加铰链复杂度，且由于截面形状较为复杂，最小曲率半径受限较大；文章《空间铰链用卷尺弹簧弯曲过程的有限元分析》，电子机械工程， 2011,27(1):29-32介绍了一种C形截面铰链，该铰链由凹面向凸面方向弯曲时, 其具有一定的刚度，但是反方向(凸面向凹面弯曲)弯曲时,非常容易失稳，其刚度几乎为零,因此这种结构只能在一个方向承受较低的弯矩,同时这种结构无法承受轴向的压力,抗扭刚度也非常低。
[n0004] 本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种新型薄壁弹性铰链结构，解决了原有铰链结构复杂、有机械间隙、重量大、收拢体积大等问题，具有结构简单、重量小、无机械间隙、收拢体积小等优点。
[n0005] 本实用新型解决技术的方案是：一种薄壁弹性铰链结构，第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件凹面朝外对称放置且所述第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件的直边部分叠合固定形成连接部，形成具备一定抗弯矩和抗扭矩的薄壁结构；所述薄壁结构的两端与连接接头相连，形成薄壁弹性铰链结构；
[n0006] 所述弹性铰链结构的两端可以连接薄板薄壳类结构，当在铰链两侧施加压力时，叠合成易被弯曲的矩形薄层，此时可以将其弯曲180°实现铰链和薄板薄壳结构的收拢；卸除压力后，铰链在自身弹性回复力的作用下恢复成初始形状截面，铰链两端连接的薄板薄壳类结构也随之展开。
[n0007] 较佳地，所述第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件使用的材料可以是：弹簧钢、铍青铜、高抗拉强度的不锈钢、碳纤维复合材料、形状记忆合金。
[n0008] 较佳地，所述第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件在所述的连接部的连接方式有：焊接、粘接、熔合、薄壁管压制成形、一体成型。
[n0009] 较佳地，所述连接接头与薄壁弹性铰链结构的连接部连接，连接方式有粘接、焊接、螺钉连接、铆接，在叠合面叠合状态或者所述薄壁弹性铰链结构弯曲状态下不影响叠合面压平；
[n0010] 较佳地，所述第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件可以集成功能材料，实现主动展开、状态监测或振动控制等智能化功能。
[n0011] 本实用新型与现有技术相比的有益效果是：
[n0012] 本实用新型提出了一种薄壁弹性铰链，可以在不增加连接头活动自由度的基础上，实现铰链收拢状态的完全压扁，使得薄板薄壳类的收拢尺寸更小，收拢效率提高；且该结构具有两个方向的抗弯刚度，可以承受一定的轴向压力和扭矩。
[n0013] 相对传统铰链，结构简单，无活动件，无间隙摩擦，重量轻，收拢体积小，成本低，正反向都可以折叠，收拢状态对结构的反作用力较小，展开时冲击较小；通过功能材料嵌入，更易实现智能化；
[n0014] 相对管状开口铰链，收拢后铰链在厚度方向尺寸更小，适合薄板薄壳结构之间的连接；可以实现截面完全压扁，使得铰链收拢状态不存在截面形状的过渡段，可以使铰链的长度方向尺寸更加小；
[n0015] 相对C形截面铰链，本实用新型中弹性铰链具有两个方向的抗弯刚度，且能承受轴向的压力,抗扭刚度也有所提高；
[n0016] 相对豆荚截面铰链，本实用新型中铰链的连接接头在不添加活动部件的情况下就可以实现截面完全压扁，降低了铰链整体的复杂度，结构更精简，加工更方便，成本更低。
[n0017] 图1为本实用新型铰链的展开状态；
[n0018] 图2为本实用新型铰链初始截面形状；
[n0019] 图3为本实用新型铰链连接的薄板展开状态；
[n0020] 图4为本实用新型铰链连接的薄板收拢状态。
[n0021] 下面结合实施例对本实用新型作进一步阐述。
[n0022] 一种薄壁弹性铰链结构，第一弹性曲面薄壁件2和第二弹性曲面薄壁件3 凹面朝外对称放置且所述第一弹性曲面薄壁件2和第二弹性曲面薄壁件3的直边部分叠合固定形成连接部4，形成具备一定抗弯矩和抗扭矩的薄壁结构，所述薄壁结构的两端与连接接头5相连，形成薄壁弹性铰链结构，如图1所示。
[n0023] 所述弹性铰链结构的两端可以连接薄板薄壳类结构(图3)，当在铰链两侧施加压力时，叠合成易被弯曲的矩形薄层，此时可以将其弯曲180°实现铰链和薄板薄壳类结构的收拢(图4)；卸除压力后，铰链在自身弹性回复力的作用下恢复成初始形状截面，铰链两端连接的薄板薄壳类结构也随之展开。
[n0024] 所述第一弹性曲面薄壁件2和第二弹性曲面薄壁件3使用的材料可以是：弹簧钢、铍青铜、高抗拉强度的不锈钢、碳纤维复合材料、形状记忆合金。
[n0025] 所述的连接部4的连接方式有：焊接、粘接、熔合、薄壁管压制成形、一体成型。
[n0026] 所述第一弹性曲面薄壁件2和第二弹性曲面薄壁件3的截面为两个圆弧段夹一个直线段，如图2所示，圆弧段半径R满足以下关系式：
[n0027] R<＝Et/2σ
[n0028] 其中：R为单个薄壁件中性层的曲率半径；
[n0029] E为薄壁件的弹性模量；
[n0030] t为两个薄壁件的叠合厚度，或者为单个弹性凸面薄壁件的两倍厚，t的范围在0.1mm-2mm；
[n0031] σ为两薄壁件的弹性极限值。
[n0032] 当薄壁件尺寸满足上式时，就可以避免薄壁件压合时出现塑性变形或者破坏情况。
[n0033] 直线段的长度L根据连接部结合强度以及曲面展平后的总宽度限制来确定, 优选L≤R/2。
[n0034] 两个曲面薄壁件圆弧的开口角度θ取值范围80-100°。
[n0035] 所述的第一弹性曲面薄壁件2和第二弹性曲面薄壁件3在压力作用下叠合成易被弯曲的薄层；卸除压力后，两者在自身的弹性回复力作用下恢复成原来设定的形状截面。
[n0036] 所述连接接头5与薄壁弹性铰链结构的连接部4连接，连接方式有粘接、焊接、螺钉连接、铆接，在叠合面叠合状态或者所述薄壁弹性铰链结构弯曲状态下不影响叠合面压平。
[n0037] 所述薄壁弹性铰链结构的连接接头5另一端可以连接平板、薄壳、杆件或者空心管件。
[n0038] 所述第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件可以集成功能材料，实现主动展开、状态监测或振动控制等智能化功能。
[n0039] 本实用新型未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

权利要求:
Claims (9)
[0001] 1.一种薄壁弹性铰链结构，其特征在于：包括第一弹性曲面薄壁件、第二弹性曲面薄壁件；所述第一弹性曲面薄壁件、第二弹性曲面薄壁件的截面形状为两个圆弧段中间夹一个直线段形式；所述第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件凹面朝外对称放置且所述第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件的直线段部分叠合固定形成连接部，连接部的两端与连接接头相连，当在铰链两侧施加压力时，第一弹性曲面薄壁件、第二弹性曲面薄壁件叠合成矩形并弯曲180°实现收拢，卸除压力后利用结构存储的应变能实现自动展开。
[0002] 2.根据权利要求1所述的铰链结构，其特征在于：所述圆弧段的半径R满足以下关系式：
R<＝Et/2σ
其中：R为单个弹性曲面薄壁件中性层的曲率半径；
E为弹性曲面薄壁件的弹性模量；
t为两个弹性曲面薄壁件的叠合厚度，或者为单个弹性凸面薄壁件的两倍厚，t的范围在0.1mm-2mm；
σ为两个弹性曲面薄壁件的弹性极限值。
[0003] 3.根据权利要求2所述的铰链结构，其特征在于：直线段的长度L根据连接部结合强度以及曲面展平后的总宽度限制来确定，L≤R/2。
[0004] 4.根据权利要求2所述的铰链结构，其特征在于：两个曲面薄壁件圆弧的开口角度θ取值范围80-100°。
[0005] 5.根据权利要求1所述的铰链结构，其特征在于：所述第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件使用的材料是：弹簧钢、铍青铜、不锈钢、碳纤维复合材料、形状记忆合金。
[0006] 6.根据权利要求1所述的铰链结构，其特征在于：所述第一弹性曲面薄壁件和第二弹性曲面薄壁件采用形状记忆合金制作或在铰链基体上粘贴压电薄膜材料，实现主动平稳展开以及状态监测功能。
[0007] 7.根据权利要求1所述的铰链结构，其特征在于：所述连接部的连接方式为焊接、粘接、熔合、薄壁管压制成形、或一体成型。
[0008] 8.根据权利要求1所述的铰链结构，其特征在于：所述连接接头与连接部的连接方式有粘接、焊接、螺钉连接、铆接，连接方式保证在叠合面叠合状态或者铰链结构弯曲状态下不影响叠合面压平。
[0009] 9.根据权利要求1所述的铰链结构，其特征在于：所述连接接头用于连接平板、薄壳、杆件或者空心管件。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

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2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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CN202022421429.1U|CN214331174U|2020-10-27|2020-10-27|一种薄壁弹性铰链结构|CN202022421429.1U| CN214331174U|2020-10-27|2020-10-27|一种薄壁弹性铰链结构|