基于4D打印的可展开天线背架结构的变形调控方法

基于4d打印的可展开天线背架结构的变形调控方法
技术领域
1.本发明涉及了一种功能形面的变形调控方法，具体涉及一种基于4d打印的可展开天线背架结构的变形调控方法。


背景技术：

2.复杂功能形面是指可以实现一些光、电、热、磁等特定物理功能的复杂曲面，是反射面天线、光学望远镜、超大型液压平台等复杂机电装备的重要基础设施，功能形面的结构形式、功能精度是复杂机电装备性能实现的重要保障。功能形面往往会有多个运动状态，通过形面后面的背架结构进行调控。传统的背架结构由铰链、桁架和扭簧等组成，优点是控制精度高、驱动速度快，缺点是背架结构复杂、制造成本高等，所以寻找一种设计简单、控制方便的背架变形调控的方法是必须的。


技术实现要素：

3.为了解决背景技术中存在的问题，本发明使用4d打印方法制备可展开天线背架结构，提供一种基于4d打印的可展开天线背架结构变形调控方法。
4.本发明采用的技术方案是：
5.可展开天线背架结构变形调控制备方法包括如下步骤：
6.1)确定可展开天线背架结构的4d打印杆组的初始收拢状态、中间临时状态和目标展开状态；
7.2)预设4d打印杆组的外部变化温度、外部载荷和材料分布；
8.3)在abaqus软件中建立4d打印杆组的优化模型，将外部变化温度、外部载荷和材料分布输入优化模型中，并通过4d打印杆组的初始收拢状态、中间临时状态和目标展开状态对输入的外部变化温度、外部载荷和材料分布进行优化分析，获得4d打印杆组的最佳的外部变化温度、外部载荷和材料分布；
9.4)根据步骤3)中获得的最佳的外部变化温度、外部载荷和材料分布，3d打印出4d打印杆组，并搭建可展开天线背架结构。
10.所述的步骤2)中，4d打印杆组包括若干4d打印杆，针对4d打印杆组中的每根4d打印杆，均进行以下操作：
11.将在初始收拢状态时的4d打印杆的轴截面均分为若干网格节点，并预设4d打印杆由pla材料和tpu材料构成，在python中对pla材料和tpu材料分别编码为1和0，将每个网格节点对应其中一种材料，即将每个网格节点对应其中一种编码，作为预设的4d打印杆的材料分布；
12.预设的外部变化温度为先升温再降温，即先从外部变化温度中的最低温升温至最高温，再降温至最低温；
13.预设的外部载荷为4d打印杆的各个网格节点的外部载荷。
14.所述的步骤3)中，针对4d打印杆组中的每根4d打印杆，均进行以下操作：
15.3.1)将预设的4d打印杆的外部变化温度、外部载荷和材料分布输入至4d打印杆组的优化模型中，通过预设的材料分布仿真4d打印杆为初始收拢状态，并根据预设的外部变化温度，先从最低温升温至最高温，再对仿真的4d打印杆施加预设的外部载荷，使仿真的4d打印杆变形为中间临时状态，然后从最高温降温至最低温，再卸载预设的外部载荷，4d打印杆从中间临时状态轻微回弹并保持为实际变形状态；
16.3.2)建立xy坐标系，并建立适应度函数f；
17.针对每根4d打印杆中的每一个网格节点，提取从初始收拢状态变形至实际变形状态过程中，网格节点在y方向上产生的实际位移获取从初始收拢状态变形至目标展开状态，网格节点在y方向上所需的目标位移并进行以下判断：
18.当适应度函数f的数值满足f≤0.2mm，则保留当前对应的4d打印杆的材料分布作为对比材料分布；
19.当适应度函数f的数值不满足f＞0.2mm，则对初始收拢状态的4d打印杆的材料分布进行重新编码，进而替换上一次预设的4d打印杆的材料分布，替换完成后重复步骤3.1)-3.2)，直至适应度函数f的数值满足f≤0.2mm，保留当前对应的4d打印杆的材料分布作为对比材料分布；
20.将每个网格点作为单控制点，对网格点材料的调整即为单控制点调控；
21.当4d打印杆的形状、外部载荷和外部变化温度等外场条件已知时，材料分布则是4d打印杆变形的主要因素。
22.3.3)重新预设4d打印杆组的外部变化温度、外部载荷和材料分布，进而替换上一次预设的4d打印杆的外部变化温度、外部载荷和材料分布，重复步骤3.1)-3.3)，获得在不同的外部变化温度、外部载荷和对比材料分布下的适应度函数f的数值；
23.3.4)选取各个适应度函数f的数值中达到最小值时所对应的外部变化温度、外部载荷和对比材料分布，分别作为4d打印杆的最佳的外部变化温度、外部载荷和材料分布；
24.所述的优化模型具体如下：
25.x＝(x1/x2…
/x1)
26.f＝(f1，f2，
…
fn)
27.t＝(t1，t2，
…
tn)
28.min：f
29.其中，x表示4d打印杆的材料分布的编码，x1/x2…
/x1分别表示4d打印杆的各个网格节点的编码，x1和x2分别表示pla材料和tpu材料的编码，即x1＝1，x2＝0，材料分布的编码随机分布；f表示4d打印杆的外部载荷，f1，f2，
…
fn分别表示4d打印杆中第1，2，
…
n个网格节点的外部载荷；t表示4d打印杆的外部变化温度，t1，t2，
…
tn分别表示将外部变化温度平均划分后的第1，2，
…
n个节点温度，n表示节点温度的个数；min：f表示适应度函数f的最小值；
30.适应度函数f具体如下：
31.32.其中，n表示网格节点的个数。
33.所述的步骤4)中，在优化模型中，通过最佳的外部变化温度、外部载荷和材料分布，将4d打印杆组变形为仿真的实际变形状态，3d打印出实际变形状态的4d打印杆组，并搭建可展开天线背架结构，此时可展开天线背架结构展开；通过将温度升温至最佳的外部变化温度的最高温，并在展开的可展开天线背架结构的4d打印杆组上施加最佳的外部载荷，使得4d打印杆组变形为初始收拢状态，然后降温至最低温后卸载最佳的外部载荷，使得4d打印杆组保持初始收拢状态，此时可展开天线背架结构收拢；
34.通过最佳的外部变化温度和外部载荷，使得搭建完成的可展开天线背架结构的4d打印杆组展开为实际展开状态，4d打印杆组的若干4d打印杆围成的一个曲面作为可展开天线的功能形面；
35.将实际展开状态时的功能形面和目标展开状态的功能形面进行对比分析，测量实际展开状态时的功能形面的形面精度，形面精度满足0.18mm以下，表明可展开天线背架结构符合要求，完成制备。
36.本发明的有益效果是：
37.1、功能形面在展开收拢的过程中，可展开天线背架结构会发生折叠、弯曲等导致体积发生很大的变化，可展开天线背架结构的变化是因为4d打印杆的变形引起的，根据不同的单控制点的位置和需求，对4d打印杆进行结构设计，使其具有伸缩、弯曲、扭转的功能，实现单控制点调控；对每一根杆都进行仿真优化，在满足形状转换要求的前提下，寻找最佳的外部变化温度、外部载荷和材料分布，通过4d打印杆的变形，实现功能形面的变形调控并保持形面精度。
38.2、4d打印基于3d打印实体，对智能材料进行编辑，在周围环境(如热、水、光、电等)的激励下可随着时间的推移改变自身的形状、性能和功能，具有制造成本低、结构简单、容易控制等优点。将多材料应用于4d打印会有一个不能忽略的回弹现象，可以最佳的外部变化温度和外部载荷的条件下实现初始收拢状态、中间临时状态和目标展开状态之间的转换。
附图说明
39.图1为类伞面可展开天线背架结构图；
40.图2为单4d打印杆优化流程图；
41.图3为状态转换图；
42.图4为仿真结果图；
43.图中：1、外杆，2、中间铰链，3、内杆，4、铰链，5、主杆，6、底座。
具体实施方式
44.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
45.具体实施例如下：
46.如图1所示，为制备完成的可展开天线背架结构，包括23根天线背架臂、23个铰链4、一根主杆5和底座6；底座6具有圆形顶面，圆形顶面中心设有垂直于圆形顶面的主杆5；圆形顶面上沿周向均布有23个铰链4，每根天线背架臂的下端均通过一个铰链4铰接在底座6
上，使得若干天线背架臂绕主杆5沿周向均布。天线背架臂包括外杆1、中间铰链2和内杆3；外杆1的下端铰接对应的一个铰链4，外杆1的上端通过中间铰链2铰接外杆1的下端，外杆1的上端互不接触并绕主杆5沿周向均布。
47.每两根相邻的天线背架臂间布置连接一块曲面板，共布置24块曲面板，可展开天线背架结构和曲面板构成固面展开天线，固面展开天线的类伞面围成的曲面即为可展开天线背架结构的功能形面。
48.其中，外杆1和内杆3均为4d打印杆，如图2所示，设外杆1和内杆3的长度均为l，宽度均为h，对外杆1和内杆3均进行编码；预设外杆1的目标展开状态为沿圆形顶面径向方向展开至目标展开状态
①
，外杆3的目标展开状态为沿圆形顶面径向方向展开至目标展开状态
②
，并获取外杆1和内杆3变形至目标展开状态时的目标功能形面。
49.如图4所示为外杆1和内杆3的仿真结果图，获取的最佳的外部变化温度为20℃-90℃；如图3所示，将制备完成的可展开天线背架结构展开为实际展开状态，将实际展开状态时的功能形面和目标展开状态的功能形面进行对比分析，测量实际展开状态时的功能形面的形面精度，形面精度为0.18mm，表明可展开天线背架结构符合要求，完成制备。