1.一种基于柔性铰链并联的预压力可控压电双晶片变形翼,其特征在于:包括前缘(1)、后缘(8)、蒙皮(11)、聚合物螺旋卷绕型作动器(9)以及从上到下依次间隔布置的上层压电复合材料双晶片(12)、中上层压电复合材料双晶片(13)、中下层压电复合材料双晶片(14)和下层压电复合材料双晶片(15);四层压电复合材料双晶片的宽度相同且固定端均固定于前缘(1)上,中上层压电复合材料双晶片(13)和中下层压电复合材料双晶片(14)的长度大于上层压电复合材料双晶片(12)和下层压电复合材料双晶片(15)的长度,四层压电复合材料双晶片整体关于变形翼的中心面镜像对称;后缘(8)上水平开设有上预制槽(81)和下预制槽(82),中上层压电复合材料双晶片(13)的自由端插入后缘(8)的上预制槽(81)中固定,中下层压电复合材料双晶片(14)的自由端插入后缘(8)的下预制槽(82)中且构成滑动配合;
四层压电复合材料双晶片之间通过四个采用柔性滚动接触铰链的层间连接翼肋结构形成配合,从前缘(1)往后缘(8)方向依次为第一层间连接翼肋结构(2)、第二层间连接翼肋结构(3)、第三层间连接翼肋结构(6)和第四层间连接翼肋结构(7);上层压电复合材料双晶片(12)和下层压电复合材料双晶片(15)均依次穿过第一层间连接翼肋结构(2)、第二层间连接翼肋结构(3)和第三层间连接翼肋结构(6),而中上层压电复合材料双晶片(13)和中下层压电复合材料双晶片(14)从前缘往后缘方向依次穿过所有四个层间连接翼肋结构;
任意第M层间连接翼肋结构均以两条翼肋作为骨架,两条翼肋以根部相对的形式固定在变形翼外部包裹的蒙皮(11)内表面,两条翼肋位于同一侧的根部之间均通过一组柔性滚动接触铰链结构进行柔性连接;每组所述柔性滚动接触铰链结构包括2个半圆连接盘(25)、N‑2个第一整圆连接盘(23)、N‑1个第二整圆连接盘(22)和N条转接轴(26),第二整圆连接盘(22)的直径小于第一整圆连接盘(23)的直径,半圆连接盘(25)和第一整圆连接盘(23)的直径一致,其中N为第M层间连接翼肋结构中所穿过的压电复合材料双晶片的数量;2个半圆连接盘(25)的平面端分别固定连接两条翼肋的根部,N‑2个第一整圆连接盘(23)以及N‑1个第二整圆连接盘(22)交替布置在2个半圆连接盘(25)的曲面端之间,且与半圆连接盘(25)相邻的均为第二整圆连接盘(22);任意两个相邻的连接盘之间均设有柔性连接带(24),柔性连接带(24)一端固定并通过一侧带面部分包裹在其中一个相邻连接盘上,柔性连接带(24)另一端固定并通过另一侧带面部分包裹在另一个相邻连接盘上,两个相邻的连接盘在柔性连接带(24)的连接下始终保持边缘相抵,相互之间能够发生径向距离相对不变的相互滚动;所有半圆连接盘(25)和第一整圆连接盘(23)均对应固定1条转接轴(26);第M层间连接翼肋结构的每一侧柔性滚动接触铰链结构均通过N条转接轴(26)与穿过第M层间连接翼肋结构的N层压电复合材料双晶片的同一侧固定连接,从而使各压电复合材料双晶片以并联形式进行作动关联;M为一、二、三或四;
第三层间连接翼肋结构(6)在左右两侧对应于上层压电复合材料双晶片(12)和下层压电复合材料双晶片(15)的位置处均设有伸出轴(62),4条伸出轴(62)上分别套有轴承(5),各轴承(5)上分别套有预制卡槽轴承套(4),每个预制卡槽轴承套(4)外壁上沿周向开有预制卡槽(41),每条预制卡槽(41)上均套有一条一端固定于前缘(1)的聚合物螺旋卷绕型作动器(9),四层压电复合材料双晶片由两侧的四根聚合物螺旋卷绕型作动器(9)施加和卸载轴向压力。
2.如权利要求1所述的一种基于柔性铰链并联的预压力可控压电双晶片变形翼,其特征在于:所述的第一层间连接翼肋结构(2)中共有两组所述柔性滚动接触铰链结构,每组所述柔性滚动接触铰链结构具有2个半圆连接盘(25)、2个第一整圆连接盘(23)、3个第二整圆连接盘(22)和4条转接轴(26),2个第一整圆连接盘(23)布置于2个半圆连接盘(25)之间,相邻的半圆连接盘(25)和第一整圆连接盘(23)之间通过1个第二整圆连接盘(22)进行连接,相邻的两个第一整圆连接盘(23)之间也通过1个第二整圆连接盘(22)进行连接;4条转接轴(26)的间距与四层压电复合材料双晶片的间距相同。
3.如权利要求2所述的一种基于柔性铰链并联的预压力可控压电双晶片变形翼,其特征在于:所述的第二层间连接翼肋结构(3)与第一层间连接翼肋结构(2)的结构形式相同,区别仅在于第二层间连接翼肋结构(3)中的第二翼肋(31)高度小于第一层间连接翼肋结构(2)中的第一翼肋(21)高度。
4.如权利要求3所述的一种基于柔性铰链并联的预压力可控压电双晶片变形翼,其特征在于:所述的第三层间连接翼肋结构(6)与第二层间连接翼肋结构(3)的结构形式相同,区别仅在于第三层间连接翼肋结构(6)中的第三翼肋(61)高度小于第二层间连接翼肋结构(3)中的第二翼肋(31)高度。
5.如权利要求1所述的一种基于柔性铰链并联的预压力可控压电双晶片变形翼,其特征在于:所述的第四层间连接翼肋结构(7)中共有两组所述柔性滚动接触铰链结构,每组所述柔性滚动接触铰链结构具有2个半圆连接盘(25)、1个第二整圆连接盘(22)和2条转接轴(26),2个半圆连接盘(25)之间通过1个第二整圆连接盘(22)进行连接;4条转接轴(26)的间距与四层压电复合材料双晶片的间距相同。
6.如权利要求1所述的一种基于柔性铰链并联的预压力可控压电双晶片变形翼,其特征在于:所述的预制卡槽轴承套(4)均以过盈配合方式轴向套于轴承(5)上,且所述轴承(5)采用微型轴承。
7.如权利要求1所述的一种基于柔性铰链并联的预压力可控压电双晶片变形翼,其特征在于:四层压电复合材料双晶片均由中间层以及分别贴附于中间层上、下表面的上侧压电复合材料和下侧压电复合材料组成,所述中间层的两侧分别设有用于与转接轴(26)连接固定的伸出耳片(121),且每一条转接轴(26)与对应的伸出耳片(121)之间均通过螺栓螺母(10)固定连接。
8.如权利要求1所述的一种基于柔性铰链并联的预压力可控压电双晶片变形翼,其特征在于:所述的聚合物螺旋卷绕型作动器(9)是将聚合物纤维材料(91)与导热金属丝(93)在保持张力的状态下持续扭转至卷曲螺旋状形成的扭转几何结构;且聚合物螺旋卷绕型作动器(9)两端均保留一定长度未螺旋卷绕的聚合物纤维材料(91)与导热金属丝(93),一端保留的聚合物纤维材料(91)形成套环套在预制卡槽轴承套(4)上,另一端保留的聚合物纤维材料(91)固定于前缘(1),两端保留的导热金属丝(93)用于连接外部功率电源。
9.如权利要求1所述的一种基于柔性铰链并联的预压力可控压电双晶片变形翼,其特征在于:所述聚合物螺旋卷绕型作动器(9)上嵌有热敏电阻(92)用于监控聚合物螺旋卷绕型作动器(9)温度。
10.一种采用如权利要求1~9任一所述的基于柔性铰链并联的预压力可控压电双晶片变形翼的作动方法,其特征在于:包括:
在作动工作状态下,分别对变形翼中的上层压电复合材料双晶片(12)、中上层压电复合材料双晶片(13)、中下层压电复合材料双晶片(14)和下层压电复合材料双晶片(15)施加电压,其中四层压电复合材料双晶片的上侧压电复合材料施加幅值相同的一种极性电压,四层压电复合材料双晶片的下侧压电复合材料施加幅值相同的相反极性电压,从而使四层压电双晶片同步向同一个方向弯曲;四层压电复合材料双晶片弯曲过程中,通过四个层间连接翼肋结构中各自的柔性滚动接触铰链结构将横向变形力传递给上下蒙皮(11)和后缘(8),同时保持四层压电复合材料双晶片的截面相互独立转动,从而使固定于四根层间连接翼肋结构上的蒙皮(11)随着四根层间连接翼肋结构发生伸长或缩短变形,而后缘(8)随着中间两层压电双晶片的自由端发生偏转,使变形翼翼面发生整体的连续光滑弯曲变形;当需要增大变形翼的整体变形幅度时,进一步对箍入各预制卡槽轴承套(4)内的聚合物螺旋卷绕型作动器(9)施加功率电压,使聚合物螺旋卷绕型作动器(9)升温发生收缩,通过第三层间连接翼肋结构(6)将收缩力传递给四层压电复合材料双晶片,使得各层压电复合材料双晶片处于受到轴向预压力的情况,进而增大弯曲形变;
在非作动工作状态下,移除四层压电复合材料双晶片以及聚合物螺旋卷绕型作动器(9)上施加的电压,使变形翼整体处于无变形的状态。
11.如权利要求10所述的作动方法,其特征在于:四根聚合物螺旋卷绕型作动器(9)对所有压电复合材料双晶片施加的总轴向压力应小于所有压电复合材料双晶片总的一阶轴向屈曲力。