波動結(jié)構(gòu)的制作方法

專利名稱：波動結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及包括可波動彎曲片材的結(jié)構(gòu)及其制造和使用方法。特別地，但非排他地，本發(fā)明涉及利用波動結(jié)構(gòu)做功的多種多樣的機器。本文中所述的本發(fā)明的特定實施例包括:換能器、風扇、泵、揚聲器、熱機和波動推進系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
波動推進系統(tǒng)是利用可波動元件做功的機器的典范。在生物學上從某些類型的魚和鰭刺(ray)受到啟發(fā)，人造波動推進系統(tǒng)典型地通過波動流體浸沒鰭產(chǎn)生推力。不同于常規(guī)旋轉(zhuǎn)推進系統(tǒng)，波動推進系統(tǒng)可以在沒有旋轉(zhuǎn)軸承和密封件的情況下構(gòu)造，由于移動部件之間的緊密公差間隙，所述旋轉(zhuǎn)軸承和密封件容易通過磨損、異物侵入和腐蝕而出現(xiàn)故障。在水域環(huán)境中，波動推進系統(tǒng)潛在地比常規(guī)螺旋槳式推進系統(tǒng)噪聲更低、環(huán)境損害更小并且更不易受到空化和撞擊損傷。盡管波動推進系統(tǒng)有潛在優(yōu)點并且有數(shù)十年的相關(guān)研究，但是由于它們的成本、復雜性和性能，即使有也很少在商業(yè)上生產(chǎn)。已知的波動推進系統(tǒng)典型地需要許多致動器和復雜的控制系統(tǒng)。例如在 Journal of Vibration and Control Vol.12N0.12 (2006)PP.1337-1359 (Low等人)中所述的機器魚具有20個伺服電機和六個微控制器來致動一對鰭。進一步增加復雜性和潛在的故障點，先前所述的機器魚的鰭由用滑動接頭互連的剛性段制造?；瑒咏宇^需要適應致動元件之間的距離變化，所述距離變化是基于鰭的波動推進系統(tǒng)的常見問題。替代方案是由撓性材料構(gòu)造鰭，所述撓性材料允許在致動元件之間形成松弛，但是這不利地影響系統(tǒng)推進效率和動力操作能力。在Journal of Fluids and Structures 23 (2OO7) pp.29T7-3O7 (Krylov 等人)中描述了可用單致動元件操作并且沒有電子控制的比較簡單的波動推進系統(tǒng)。它使用馬達驅(qū)動樞軸臂在具有一個夾緊縱向邊緣的橡膠帶中生成彈性波。系統(tǒng)簡化的缺陷在于橡膠帶的總體形狀不受限制并且受到傾向于使動力輸送欠佳且難以控制的許多因素影響。特別地，由周圍流體產(chǎn)生的阻尼隨著離馬達驅(qū)動樞軸臂的距離的增加而減小彈性波的幅度，并且彈性波的反射可能導致相消干涉。在SICE-1CASE International Joint ConferenceOct.2006pp.5847-5852 (Rossiter等人)中提出了能夠由較少致動元件驅(qū)動的類似于多個波動推進系統(tǒng) 的具有波形鰭狀元件的設備。該設備包括安裝在彈性彎曲梁上的一系列致動元件。致動元件的特定啟動序列在梁中點處產(chǎn)生圓形變形路徑，其可以用于借助于平臺增量地傳送固體物體以將來自梁中點的物體卸載到它的圓形變形路徑的部分上。非理想地，該設備以非均勻運動傳送固體物體，需要高致動力循環(huán)地提升被傳送物體，并且由于呈彈性和重力形式的潛在能量的未恢復而受到效率損失。如下面將所述，可波動彎曲片材可以用作機械變換器。機械變換器廣泛地用于使用機械效益使機械能量源的阻抗匹配負載。類似于改變輸入和輸出端子之間的電力的電壓和電流的比率的電變換器，機械變換器改變機械動力的力和速度的比率。與固態(tài)換能器結(jié)合使用的機械變換器通常集成在換能器的架構(gòu)內(nèi)。提供機械效益的換能器架構(gòu)的公知類型包括彎折機、杠桿-臂和曲張配置。即使在提供機械效益的配置中使用，在固態(tài)換能器中常見的特性在于它們受到的凈彈性恢復力漸增地抵抗遠離平衡位置的變形。因此，凈彈性恢復力減小輸出能力并且導致輸出畸變。在振蕩條件下，凈彈性恢復力與換能器的質(zhì)量和阻尼特性組合以產(chǎn)生頻率依賴響應，除了在窄帶共振頻率下以外典型地導致不良換能器效率。很少報導平衡內(nèi)部彈性力以減小或消除凈彈性及其影響的包含機械變換器的換能器架構(gòu)。在美國專利第6，236，143號(Lesieutre等人)中描述了一種這樣的換能器架構(gòu)，其使用軸向壓縮預彎曲壓電彎折元件，由此減小其橫向剛度。盡管預彎曲彎折元件內(nèi)的彈性力可以在一個位置被平衡，但是該架構(gòu)在操作中受到彈性的影響，原因是它不具有中性穩(wěn)定變形路徑。不具有中性穩(wěn)定變形路徑的換能器架構(gòu)包括由美國專利第4，010, 612號(Sandoval)舉例說明的基于連續(xù)帶的設計、和例如在Proceedings of the 45th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials ConferenceApr.2004，pp.19-22 (Murphey等人)中所述的中性彈性帶彈簧。盡管克服了與凈彈性恢復力相關(guān)的缺陷，但是由于僅僅具有在任何指定時間有效的它們的總致動能力的一小部分，因此這些換能器架構(gòu)具有不良功率密度。此外，由于通常不僅沿著它們的中性穩(wěn)定路徑的耐變形性差，因此中性彈性帶彈簧不適合于許多應用。在另一方面，連續(xù)帶設計傾向于更穩(wěn)健，但是為保持帶張力所需的支撐 結(jié)構(gòu)的重量和體積所困擾。鞍狀結(jié)構(gòu)尤其可以在架構(gòu)中發(fā)現(xiàn)，但是通常不具有平衡彈性力，使它們不適合作為機械變換器用于機器中。美國專利第4，183，153號(Dickson)描述了通過聯(lián)接可以用至少部分平衡彈性力產(chǎn)生鞍狀結(jié)構(gòu)的撓性材料的特定形狀產(chǎn)生的雙曲線幾何模型。所述的制造方法產(chǎn)生作為潛在故障點的聯(lián)接部，并且可能產(chǎn)生破壞精細彈性平衡的幾何和材料性質(zhì)的不連續(xù)?？紤]到現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是解決或至少減輕現(xiàn)有技術(shù)的一個或多個缺陷或缺點，或至少為公眾提供可使用的替代選擇。另外的目的將從以下描述變得明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例涉及包括以波動方式可變形的彎曲片材的結(jié)構(gòu)。在一種形式中，盡管它不需要是唯一的或?qū)嶋H上最寬泛的形式，本發(fā)明在于一種結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括:具有波狀輪廓的彎曲片材；以及與彎曲片材聯(lián)系以用于使彎曲片材以波動方式變形的一個或多個功輸入元件，其中波狀輪廓上的一系列點中的每個點相對于共同參考框架至少部分地沿著8字形路徑行進。優(yōu)選地，彎曲片材為鞍狀，其中它具有從其圓周截面觀察的波狀輪廓。在其它配置中，彎曲片材可以具有從其直線或曲線截面觀察的波狀輪廓，形成更類似魚鰭的可能波動結(jié)構(gòu)。也可以通過使波狀輪廓的幅度在從其被觀察的截面垂直延伸的方向上變化的方式影響彎曲片材的形狀；在各種配置中該幅度可以是大致恒定的、單調(diào)的或波狀變化的。在另一種形式中，然而它不需要是最寬泛的形式，本發(fā)明在于一種結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括:具有鞍點的彎曲片材，其中鄰近鞍點的彎曲片材的截面具有鞍形狀；以及連接到彎曲片材的截面的一個或多個功輸入元件，用于通過使彎曲片材變形而相對于鞍點可旋轉(zhuǎn)地重定向截面的鞍形狀。優(yōu)選地，在上述形式的每一個中，結(jié)構(gòu)是用于對與機器聯(lián)系的一個或多個主體做功的機器，由此彎曲片材由于以波動方式變形而對一個或多個主體做功。在這些實施例中，彎曲片材可以用作機械變換器，機械變換器配置成提供一個或多個功輸入元件和與機器聯(lián)系的一個或多個主體之間的機械效益。優(yōu)選地，在上述結(jié)構(gòu)的每一種形式中，彎曲片材以波動方式以大致恒定凈應變能可變形，由此彎曲片材可以在不明顯違背彈性恢復力的情況下變形。在又一種形式中，然而它不需要是最寬泛的形式，本發(fā)明在于一種用于對與具有波狀輪廓的彎曲片材聯(lián)系的一個或多個主體做功的方法，該方法包括使彎曲片材變形，其中彎曲片材的波狀輪廓上的一系列點中的每個點相對于共同參考框架至少部分地沿著8字形路徑行進，由此彎曲片材以波動方式移動并且由于變形而將運動產(chǎn)生的力施加于一個或多個主體上。在再又一種形式中 ，然而它不需要是最寬泛的形式，本發(fā)明在于一種制造結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括以下步驟:通過在柔性片材中引入彎曲應力而在柔性片材中形成波狀輪廓；以及提供與柔性片材聯(lián)系的至少一個功輸入元件，用于使波狀輪廓上的一系列點中的每個點相對于共同參考框架沿著8字形路徑行進。優(yōu)選地，在柔性片材中形成波狀輪廓包括通過滾軋、沖擊、打平或旋轉(zhuǎn)的形成過程在柔性片材中引起殘余應力。備選地或附加地，在柔性片材中形成波狀輪廓包括在外部對柔性片材施加應力。本發(fā)明的另外形式和特征將從以下詳細描述變得明顯。當在本文中使用時，“片材”表示其厚度比其長度和寬度小的成形產(chǎn)品，無論是否平坦并且無論厚度是否恒定；并且包括在其定義內(nèi)的以下術(shù)語:板、條、箔、薄膜、殼、膜、帶、圓盤和圓環(huán)。當在本文中使用時，術(shù)語“彎曲”表示彎曲后狀態(tài)，其中片材由于彈性不穩(wěn)定性而彎折、翹曲或起皺。當在本文中使用時，“加速”被定義為包括“減速”。


為了可以容易地理解并且實施本發(fā)明，現(xiàn)在將參考附圖，其中:圖1A示出根據(jù)本發(fā)明的一個方面的結(jié)構(gòu)的透視圖；圖1B示出圖1A中所示的結(jié)構(gòu)在操作中的運動；圖2顯示圖1A的結(jié)構(gòu)的電示意圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的線性換能器的透視圖；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的泵的部分透明透視圖；圖5A示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的設備的透視圖；圖5B顯示圖5A中所示的設備在操作中的運動；圖6A示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的熱機的透視圖；圖6B示出圖6A中所示的熱機的放大和部分透明分解透視圖；圖7顯示圖6A的熱機的流體流動示意圖；圖8示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的周邊耦合旋轉(zhuǎn)致動器的部分透明透視
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的摩擦耦合旋轉(zhuǎn)致動器的部分透明透視圖；圖1OA示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的另一個結(jié)構(gòu)的部分透明透視圖；圖1OB示出圖1OA中所示的結(jié)構(gòu)在操作中的運動；圖1OC示出圖1OB的放大部分視圖；圖1lA顯示圖1OA中所示的結(jié)構(gòu)的電示意圖；圖1lB顯示用于驅(qū)動圖1OA中所示的結(jié)構(gòu)的一系列電波形；圖12示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的密封泵的部分透明透視圖；圖13示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的攪拌器的部分透明透視圖；圖14示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的聲換能器的部分透明透視圖；圖15A示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的旋轉(zhuǎn)限制波動設備的部分透明透視圖；圖15B在側(cè)視圖中示出圖15A的旋轉(zhuǎn)限制波動設備的操作運動；圖15C顯示利用圖15A的旋轉(zhuǎn)限制波動設備的直接耦合致動器的側(cè)視圖；圖16A示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的平移限制波動設備的部分透明透視圖；圖16B在側(cè)視圖中示出圖16A的平移限制波動設備的操作運動；圖16C顯示利用圖16A的平移限制波動設備的形狀耦合致動器的側(cè)視圖；圖17A示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的8字限制波動設備的部分透明透視圖；圖17B在側(cè)視圖中示出圖17A的8字限制波動設備的操作運動；圖17C顯示利用圖17A的8字限制波動設備的摩擦耦合致動器的側(cè)視圖；圖18示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的波動推進系統(tǒng)的部分透明透視圖；圖19示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的波動推力器的部分透明透視圖；圖20是根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的制造結(jié)構(gòu)的方法的總流程圖；圖21示出根據(jù)圖20中所示的方法的一個實施例的用于制造圖1OA的結(jié)構(gòu)的部件的透視圖；以及圖22示出根據(jù)圖20中所示的方法的另一個實施例的用于制造圖1A的結(jié)構(gòu)的部件的透視圖。
具體實施方式
圖1A示出根據(jù)本發(fā)明的一個方面的結(jié)構(gòu)100。結(jié)構(gòu)100包括具有分布順應性、在其中心固定連接到支撐軸120的彎曲片材110。彎曲片材110通過其中的殘余應力彎曲，為它提供:波狀(并且在優(yōu)選實施例中正弦狀)圓周輪廓112 ;類似雙曲拋物面的總體鞍形狀114，鞍形狀114具有中心鞍點116，其中正弦狀圓周輪廓112在幅度上隨著離中心鞍點116的距離增加而增加；以及中性穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)100還包括呈以單晶(unimorph)方式環(huán)形地安裝在彎曲片材110上的十二個壓電致動器段130的形式的功輸入元件。沿著支撐軸120和彎曲片材110延伸的電連接器140將電力提供給致動器段130?？蛇x地，圍繞并且聯(lián)系彎曲片材110的流體150提供主體，當彎曲片材變形時彎曲片材110可以對所述主體做功。圖1B顯示結(jié)構(gòu)100在操作中的運動，其中致動器段130用于響應電輸入的特定系列以波動方式變形彎曲片材110。運動時間系列160顯示彎曲片材110的波動變形路徑，其中鞍形狀114相對于鞍點116可旋轉(zhuǎn)地重定向。表示運動時間系列160期間正弦狀圓周輪廓112上的一系列點中的一個點的運動，標記170相對于支撐軸120沿著曲平面外、8字形路徑180行進。盡管彎曲片材110可以在不明顯違背彈性恢復力的情況下以波動方式變形，但是應當注意鞍形狀114由于其雙軸曲率而對于其重量具有相當大的穩(wěn)定性。圖2顯示結(jié)構(gòu)100的電示意圖200，致動器段130在圓周輪廓中描繪。致動器段130與彎曲片材110的正弦狀圓周輪廓112—致并且因此具有正弦變化曲率。三相電源210通過電連接器140將電力提供給致動器段130。電源210的每個相連接到依靠正弦狀圓周輪廓112的對稱性動態(tài)地具有曲率的匹配幅度的一組致動器段130。交替致動器段130配置有相反極性，從而匹配由電源210的每個相看到的致動器段130的曲率的表觀方向。由電源210啟動致動器段130用于使彎曲片材110和致動器段130的正弦變化曲率與由啟動產(chǎn)生的圓周彎力的旋轉(zhuǎn)正弦圖案對準。有利地，彎曲片材110的波動變形隨著大致恒定凈應變能或換句話說沿著中性穩(wěn)定變形路徑發(fā)生，其中彈性力在彎曲片材110和致動器段130中動態(tài)地平衡。因此由致動器段130產(chǎn)生的致動力不可由局部彈性恢復力減小，允許結(jié)構(gòu)100與傳統(tǒng)換能器架構(gòu)相比具有改善的力、位移和畸 變特性以及高效率和寬帶性能。除了彈性平衡以外，彎曲片材110的波動變形由于運動對稱而動態(tài)地平衡，使得會導致噪聲和振動的由彎曲片材110施加于支撐軸120的力被最小化。通過使用致動器段130變形彎曲片材110使得它的鞍形狀114可旋轉(zhuǎn)地重定向，結(jié)構(gòu)100可以用作變形結(jié)構(gòu)，所述變形結(jié)構(gòu)可以例如用作美觀顯示或改變流體路徑中的流體的流動。以類似方式，結(jié)構(gòu)100可以用作用于對流體150做功的機器。這樣做時，彎曲片材可以用作機械變換器，提供機械效益以將致動器段130的高應力、低應變膨脹轉(zhuǎn)換成流體150的低力高偏轉(zhuǎn)。為了最大化對流體150做的功，例如可以通過彎曲片材110上的致動器段130的徑向定位調(diào)節(jié)由該布置提供的機械效益的量。當流體150是空氣時，結(jié)構(gòu)100可以通過生成氣流用作風扇。與常規(guī)風扇相比，結(jié)構(gòu)100具有低噪聲、低成本和耐沾灰的潛在優(yōu)點，并且與葉片型壓電風扇相比，具有在速度的大范圍上高效操作的能力。通過將三相電源210配置成振蕩彎曲片材110的波動變形的速度，結(jié)構(gòu)100可以通過生成聲能用作揚聲器。與常規(guī)移動線圈揚聲器相比，結(jié)構(gòu)100由于下列原因而具有高效率和低畸變的潛在優(yōu)點:能夠從鞍形狀114的任何旋轉(zhuǎn)取向加速彎曲片材110的變形使得不需要定心彈簧和典型地用于管理由定心彈簧生成的振蕩的伴隨的電和機械阻尼；能夠精確地控制彎曲片材110的鞍形狀的旋轉(zhuǎn)取向；彎曲片材110能夠產(chǎn)生大偏轉(zhuǎn)；以及彎曲片材110的高形狀穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)100當然可以在除了空氣以外的流體(例如水)中生成流動和聲能。參考圖3和4將顯而易見，其它功能可以由結(jié)構(gòu)100執(zhí)行。圖3顯示線性換能器300，該線性換能器包括結(jié)構(gòu)100、滑動地安裝在結(jié)構(gòu)100的支撐軸120上的滑動器310、以及在一端可樞轉(zhuǎn)地連接到結(jié)構(gòu)100的彎曲片材110并且在另一端可樞轉(zhuǎn)地連接到滑動器310的連接桿320。通過使用致動器段130以波動方式變形彎曲片材110，換能器用作線性致動器，其中滑動器310被推動以在支撐軸120上滑動。相反地操作，滑動器310可以由振蕩力驅(qū)動以便以波動方式變形彎曲片材110，由此致動器段130生成電荷。以該方式，線性換能器可以用作位置傳感器或用作發(fā)電機。圖4示出泵400，該泵包括除了縮短支撐軸120a以外類似于結(jié)構(gòu)100的經(jīng)修改的結(jié)構(gòu)100a?？s短支撐軸120a固定地連接在上半殼體410和下半殼體420的內(nèi)部，電連接器140 (被遮掩)穿過并且靜態(tài)地密封在下半殼體420中。透明地顯示上半和下半殼體410和420以展現(xiàn)用于容納彎曲片材110的波動變形的腔430，并且該腔形成包括流體入口 440和流體排出口 450的流體流動路徑。彎曲片材110的波動變形使流體150 (未顯示)加速通過腔430。有利地，泵可以密封以消除短時排放。泵也可以通過調(diào)制流體150的加速而用作聲致動器。圖5A示出特別適合用作風扇的設備500。設備500包括類似于結(jié)構(gòu)100的經(jīng)修改的結(jié)構(gòu)100b，區(qū)別在于彎曲片材110在其邊緣而不是其中心固定連接到支撐軸120，從而增加它的峰值位移。圖5B顯示設備500在操作中的運動，運動時間系列510顯示彎曲片材110的變形路徑。圖6A和6B示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的熱機600，圖6B顯示放大和部分透明分解圖以示出它的結(jié)構(gòu)。熱機600包括轉(zhuǎn)子610、上半定子620和下半定子630。上半定子620包括熱流體入口 621、熱流體入口集管623、熱流體入口端口 626、冷流體出口 622、冷流體出口集管624、冷流體出口端口 625和鞍狀上接觸表面627。下半定子630包括熱流體出口 631、熱流體出口集管633、熱流體出口端口 636、冷流體入口 632、冷流體入口集管634、冷流體入口端口 635和鞍狀下接觸表面637。轉(zhuǎn)子610包括可旋轉(zhuǎn)軸611、軸向固定到可旋轉(zhuǎn)軸611的多個中性穩(wěn)定的鞍狀彎曲片材612、以及對稱地布置在每個彎曲片材612上并且與其聯(lián)接的一個或多個環(huán)形帶613。環(huán)形帶613具有不同于彎曲片材612的熱膨脹系數(shù)，從而形成用作用于變形彎曲片材612的功輸入元件的熱雙晶元件614。環(huán)形帶613的窄寬度被設計成使得熱雙晶元件614主要在圓周意義上起作用。熱雙晶元件614夾入上和下接觸表面627和637之間，并且?guī)в写┛?，從而形成熱流體入口端口 626和相應的熱流體出口端口 636之間的熱流體流動路徑615 (未顯示)、以及在冷流體入口端口 635和相應的冷流體出口端口 625之間的冷流體流動路徑616 (未顯示)。可選地，轉(zhuǎn)子610還包括布置在相鄰熱雙晶元件614之間以及熱雙晶元件614與上半和下半定子620和630之間的穿孔柔性間隔器以減小摩擦并且減小熱和冷流體流動路徑615和616之間的流體泄漏。圖7顯示熱機600的流體流動示意圖700，熱雙晶元件614在圓周輪廓中描繪。熱流體710將熱能提供給熱機600以部分地轉(zhuǎn)換成機械功，并且冷流體720允許廢熱的排出。熱和冷流體710和720穿過相應的熱和冷流體流動路徑615和616，從而引起熱雙晶元件614中的溫度分布，所述溫度分布配置成生成熱雙晶元件614中的圓周彎力的圖案，所述圓周彎力的圖案用于以波動方式變形彎曲片材612。為了使彎曲片材612以波動方式變形，熱雙晶元件614以使得與上半和下半定子620和630滑動地和嚙合地接合的方式推壓上和下接觸表面627和637，由此導致轉(zhuǎn)子610以連續(xù)方式旋轉(zhuǎn)。與也沿著中性穩(wěn)定路徑循環(huán)地變形有源片材(active sheet)的連續(xù)帶型熱機相比,熱機600由于下列原因而能夠具有高功率密度:熱雙晶元件614的緊湊堆疊；以及熱雙晶元件614的分布式彎折，在任何指定時間允許它們的致動能力的高比例有效。在熱機600的備選實施例中，彎曲片材612可以設計成以附加或備選方式與上半和下半定子620和630接合。示出使鞍狀彎曲片材與相對旋轉(zhuǎn)構(gòu)件接合的一種備選方式，圖8顯示周邊耦合旋轉(zhuǎn)致動器800，該周邊耦合旋轉(zhuǎn)致動器包括經(jīng)修改的結(jié)構(gòu)IOOc和透明地顯示以展示經(jīng)修改的結(jié)構(gòu)IOOc的細節(jié)的外殼810。經(jīng)修改的結(jié)構(gòu)IOOc類似于結(jié)構(gòu)100，區(qū)別在于具有在其相應中心固定連接到支撐軸120的一個以上彎曲片材110以便提供相對于外殼810的穩(wěn)定性，并且提供增加的功率輸出。外殼810包括:多個突起812，用于通過俘獲彎曲片材110防止支撐軸120的相對軸向運動；以及內(nèi)部輪廓814，其大體上為方形，具有從頂部觀察與彎曲片材110的輪廓一致的圓形角部。彎曲片材110以波動方式變形導致彎曲片材110在其周邊以使得與外殼810滑動地和嚙合地接合的方式推壓外殼810，由此導致支撐軸120以連續(xù)方式相對于外殼810旋轉(zhuǎn)。示出使鞍狀彎曲片材與相對旋轉(zhuǎn)構(gòu)件接合的另一種備選方式，圖9顯示摩擦耦合旋轉(zhuǎn)致動器900。摩擦耦合旋轉(zhuǎn)致動器900包括結(jié)構(gòu)100、具有上摩擦表面915的上半殼體910、以及具有下摩擦表面925的下半殼體920。結(jié)構(gòu)100的彎曲片材110夾入上和下摩擦表面915和925之間使得它在其正弦狀圓周輪廓112的峰和谷處與上半和下半殼體910和920摩擦地接合。透明地顯示上半和下半殼體910和920以展示形成于其中的空隙930，該空隙配置成容納彎曲片材110的波動變形和支撐軸120的相對旋轉(zhuǎn)。參考圖1B和曲平面外、8字形路徑180，可以看到彎曲片材110以波動方式變形導致在其正弦狀圓周輪廓112的峰和谷處的切向運動，當從上方觀察時相對于支撐軸120在相同順時針意義上起作用。彎曲片材110在它與上和下摩擦表 面915和925接觸的區(qū)域中的該相同意義切向運動用于在類似滾動運動中同時在上和下摩擦表面915和925上移動彎曲片材110，由此導致支撐軸120以連續(xù)方式相對于上半和下半殼體910和920旋轉(zhuǎn)。圖1OA示出根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的另一個結(jié)構(gòu)1000。結(jié)構(gòu)1000包括彎曲帶1010，該彎曲帶由沿著縱向邊緣1012固定地或在備選實施例中可樞轉(zhuǎn)地連接到較硬支撐件1020的熱可啟動形狀記憶材料組成。彎曲帶1010具有從直線截面觀察的正弦狀輪廓1014，該正弦狀輪廓在橫向上從縱向邊緣1012在幅度上增加。在所示實施例中，彎曲帶1010具有帶兩個波長的波狀輪廓1014，然而備選實施例可以具有帶不同數(shù)量的波長(包括非整數(shù)值)的輪廓。結(jié)構(gòu)1000還包括嵌入或在備選實施例中附連到彎曲帶1010的面的多個循環(huán)可操作電阻加熱元件1030。彎曲帶1010的部分的形狀記憶可以以特定方式由加熱元件1030啟動以便用作用于以波動方式變形彎曲帶1010的功輸入元件。與彎曲帶1010聯(lián)系的流體1040用作散熱器，用于通過冷卻未由加熱元件1030主動加熱的彎曲帶1010的部分局部地停用彎曲帶1010的形狀記憶。流體1040也可以用作主體，彎曲帶1010在其變形時可以對所述主體做功?？蛇x地，加熱元件1030可以與彎曲帶1010電絕緣，如后面參考圖21所述。
圖1OB顯示結(jié)構(gòu)1000在操作中的運動，運動時間系列1050示出彎曲帶1010正以波動方式變形。有利地，彎曲帶1010通過以波動方式以分布順應性變形用作完全柔性機構(gòu)，允許它在沒有滑動接頭或不形成松弛的情況下操作。進一步有利地，彎曲帶1010的彎曲狀態(tài)允許它以波動方式以大致恒定凈應變能變形，由此它可以在不明顯違背彈性恢復力的情況下變形。圖1OC是圖1OB的放大部分視圖。表示運動時間系列1050期間正弦狀輪廓1014上的一系列點中的一個點的運動，標記1060相對于支撐件1020沿著曲平面外、8字形路徑1070行進。圖1IA顯示結(jié)構(gòu)1000的電示意圖1100。一系列電波形1110將電力提供給在縱向輪廓中描繪的加熱元件1030。通過檢查彎曲帶1010可以注意到它的正弦狀輪廓1014的每個半波長的三分之一相比于剩余三分之二較直。相應地，加熱元件1030在彎曲帶1010中配置成具有波長的每六分之一的間隔以用于使用形狀記憶效應產(chǎn)生局部拉直應力，從而允許以波動方式變形彎曲帶1010。一系列電波形1110包括用于通過電連接器1150分別電連接到彎曲帶1010的每個半波長的第三、第二和第一加熱元件1030的第一相1120、第二相1130和第三相1140。圖1lB顯示用于驅(qū)動結(jié)構(gòu)1000的一系列電波形1110的細節(jié)。在它們的最基本形式中，一系列電波形1110的相1120、1130和1140在序列中循環(huán)地操作，所述序列的順序和頻率確定彎曲帶1010的波動變形的相應方向和速度?？梢詾榱烁鞣N目的對相1120、1130和1140的該基本形式進行修改，所述目的包括:最大化能量效率、平滑內(nèi)周期功率輸送、超溫保護和超應變保護。這樣的修改包括、但不限于:脈沖寬度調(diào)制，幅度調(diào)制，以及用于提前或延遲相1120、1130和1140之間的順序操作的時間變量1160。在所示的結(jié)構(gòu)1000的實施例中，一系列電波形1110提供彎曲帶1010的開環(huán)控制，但是諸如溫度或位置反饋的反饋可以被包含以用于閉環(huán)控制。將容易理解備選的致動配置和技術(shù)可以用作功輸入元件，從而以波動方式變形彎曲帶1010。例如，可以通過直接使電流通過形狀記憶材料或通過溝流與其熱聯(lián)系的合適熱流體而啟動彎曲帶1010的形狀記憶。彎曲帶1010可以具有形狀記憶使得啟動導致彎折而不是拉直作用，或者改為由 除了形狀記憶材料以外的材料組成，用例如下面參考圖20所述的其它手段啟動。加熱元件1030的數(shù)量可以變化以提供運動的更大精度或簡化制造和操作。此外，可以單獨地控制加熱元件1030以影響彎曲帶1010的形狀，在一定范圍內(nèi)包括它的正弦狀輪廓1014的幅度和波長特性。結(jié)構(gòu)1000可以通過附連到水運工具用作波動推進系統(tǒng)使得彎曲帶1010平行于期望的運動方向浸沒在水中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將清楚結(jié)構(gòu)1000也可以以類似于結(jié)構(gòu)100的方式用作致動器、傳感器、發(fā)生器、風扇、泵或揚聲器。圖12示出密封泵1200，該密封泵包括結(jié)構(gòu)1000和固定連接到結(jié)構(gòu)1000的支撐件1020的殼體1210。透明地顯示殼體1210以展示其中的楔形腔1212，所述楔形腔用于容納彎曲帶1010的波動變形并且引導流體1040 (未顯示)的流動。在備選實施例中，彎曲帶1010的前緣和/或后緣可以為錐形以減小拖曳并且最小化末端效應對彎曲帶1010的形狀的影響。圖13顯示包括曲線彎曲帶1310的攪拌器1300，所述曲線彎曲帶由熱可啟動形狀記憶材料組成，固定地附連到較硬的曲線支撐件1320。攪拌器還包括多個加熱元件1030，所述加熱元件嵌入曲線彎曲帶1310中以用于以波動方式變形它，從而攪拌周圍流體(未顯示)。攪拌器1300類似于結(jié)構(gòu)1000，區(qū)別在于曲線彎曲帶1310具有從圓周截面而不是直線截面觀察的正弦狀輪廓1312。在備選實施例中曲線彎曲帶1310和剛性曲線支撐件1320可以是不連續(xù)的和/或具有變化曲率，其中曲線彎曲帶1310具有從曲線截面觀察的波狀輪廓1312。圖14顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的聲換能器1400。聲換能器1400包括由形狀記憶材料組成、具有第一邊緣1412和相對的第二邊緣1414的彎曲片材1410，第一和第二邊緣1412和1414都固定連接到框架1420。彎曲片材1410通過由框架1420施加的力生成的剪切應力彎曲，從而形成從彎曲片材1410的直線截面觀察的波狀輪廓1416。波狀輪廓1416具有隨著離第一邊緣1412的距離增加而大致恒定的幅度，在彎曲片材1410連接到框架1420處的第一和第二邊緣1412和1414的附近發(fā)生幅度的減小。聲換能器1400還包括布置在彎曲片材1410上的多個帶狀加熱器1430和用于將電力傳遞到帶狀加熱器1430以便啟動彎曲片材1410的部分的形狀記憶的一系列電極1440。通過將合適的一系列電波形施加到用于控制彎曲片材1410以波動方式變形的速率的一系列電極1440，在與彎曲片材1410聯(lián)系的流體(未顯示)中生成聲能，其中波狀輪廓1416上的一系列點中的每個點相對于框架1420至少部分地沿著8字形路徑行進。盡管彎曲片材1410通過由框架1420施加的力生成的剪切應力而發(fā)生彎曲，但是本領(lǐng)域中已知用于導致片材彎曲的許多其它配置和布置可以用于聲換能器1400的備選實施例中;例如，在 Physical Review E Vol.75Νο.I (2006) pp.016609 (Concha 等人)中描述了使用由彈性基材施加的力使帶彎曲的布置。彎曲片材1410具有直帶的彎曲圖案，但是在聲換能器1400的備選實施例中，彎曲片材1410可以具有不同彎曲圖案，所述不同彎曲圖案也具有可以以波動方式變形的波狀輪廓，包括描述為棋盤、波動帶和鯡魚骨的圖案。由于這些彎曲圖案中的一些具有雙軸波狀輪廓，因此以可以在不同方向上發(fā)生波動變形的方式使彎曲片材1410變形成為可能。圖15A、16A、17A和18顯示本發(fā)明的實施例，其中帶由動態(tài)地限制其波狀輪廓上的至少兩個點相對于彼此的一個或多個自由度的機構(gòu)保持在具有波狀輪廓的彎曲形式。在這些實施例的每一個中，帶可以由功輸入元件以波動方式變形，所述功輸入元件作用于限制帶的輪廓上的點的機構(gòu)以便帶對周圍流體做功。然而，功輸入元件可以以其它方式作用于帶，在該情況下限制帶的輪廓上的點的機構(gòu)可以用作帶對其做功的主體。圖15A示出包括彎曲帶1510的旋轉(zhuǎn)限制波動設備1500，所述彎曲帶具有波狀輪廓1512，沿其縱向邊緣剛性地和軸向地連接到一對可旋轉(zhuǎn)軸1514?？尚D(zhuǎn)軸1514可旋轉(zhuǎn)地連接到框架1520并且連接到用于限制它們相對于彼此的旋轉(zhuǎn)的皮帶輪機構(gòu)1530。示出旋轉(zhuǎn)限制波動設備1500在操作中的運動，圖15B顯示當彎曲帶1510以波動方式變形時波狀輪廓1512的運動圖1540。當彎曲帶1510變形時波狀輪廓1512上的一系列點1550沿著相應路徑1560行進。參考圖16B和17B將變得明顯的彎曲帶1510的變形特性在于一系列點1550中的每個點相對于從框架1520觀察的共同參考框架沿著8字形路徑行進，所述共同參考框架在與每個點沿其行進的8字形路徑一致的路徑中移動。類似于線性換能器300，旋轉(zhuǎn)限制波動設備1500可以直接耦合到固體主體以對其做功。圖15C顯示 直接耦合致動器1570，該直接耦合致動器包括旋轉(zhuǎn)限制波動設備1500和固定到彎曲帶1510的直接耦合器1580。以波動方式變形彎曲帶1510生成直接耦合器1580的運動，在優(yōu)選實施例中由于直接耦合器1580居中地位于彎曲帶1510上，因此所述運動是線性運動。圖16A示出平移限制波動設備1600，該平移限制波動設備包括具有波狀輪廓1612的彎曲帶1610?？善揭戚S1614軸向地對準并且剛性地連接到彎曲帶1610的縱向邊緣和縱向中線?？善揭戚S1614可樞轉(zhuǎn)地連接到滑動器1620，所述滑動器通過以正交方式可平移連接到支撐構(gòu)件1630和帶輪凸輪1622形成止轉(zhuǎn)棒軛(scotch yoke)機構(gòu)。帶輪凸輪1622可旋轉(zhuǎn)地連接到支撐構(gòu)件1630并且相對于彼此由皮帶1624可旋轉(zhuǎn)地限制以用于限制可平移軸1614相對于彼此的平移。示出平移限制波動設備1600在操作中的運動，圖16B顯示當彎曲帶1610以波動方式變形時波狀輪廓1612的運動圖1640。當彎曲帶1610變形時波狀輪廓1612上的一系列點1650沿著相應路徑1660行進。參考圖17B將變得明顯的彎曲帶1610的變形特性在于一系列點1650中的每個點相對于從支撐構(gòu)件1630觀察的共同參考框架沿著8字形路徑行進，所述共同參考框架在與每個點沿其行進的8字形路徑的水平分量一致的路徑中移動。平移限制波動設備1600可以直接耦合到固體主體以對其做功，或者可以類似于熱機600由其波狀輪廓1612的形狀耦合。圖16C顯示形狀耦合致動器1670，該形狀耦合致動器包括平移限制波動設備1600和具有與彎曲帶1610滑動地和嚙合地接合的波狀狹縫1682的形狀耦合器1680。帶輪凸輪1622的旋轉(zhuǎn)導致形狀耦合器1680的線性運動，或者相反地，形狀耦合器1680的線性運動導致帶輪凸輪1622的旋轉(zhuǎn)。圖17A示出類似于平移限制波動設備1600、但是具有附加的一系列止轉(zhuǎn)棒軛機構(gòu)的8字限制波動設備1700。8字限制波動設備1700包括具有波狀輪廓1712的彎曲帶1710。動態(tài)軸1714軸向地對準并且剛性地連接到彎曲帶1710的縱向邊緣和縱向中線。動態(tài)軸1714可樞轉(zhuǎn)地連接到水平滑動器1720，該水平滑動器通過以正交方式可平移連接到豎直滑動器1722和凸輪1734形成水平作用止轉(zhuǎn)棒軛機構(gòu)。豎直滑動器1722又通過經(jīng)由可樞轉(zhuǎn)連接導向件1724以正交方式可平移連接到支撐構(gòu)件1630和帶輪凸輪1622(由豎直滑動器1722遮掩)形成豎直作用止轉(zhuǎn)棒軛機構(gòu)。凸輪1734經(jīng)由2:1比率內(nèi)部齒輪組(圖未示)可旋轉(zhuǎn)地連接到帶輪凸輪1622使得水平滑動器1720和因此動態(tài)軸1714相對于支撐構(gòu)件1630沿著8字形路徑行進。帶輪凸輪1622可旋轉(zhuǎn)地連接到支撐構(gòu)件1630并且相對于彼此由皮帶1624可旋轉(zhuǎn)地限制以用于限制動態(tài)軸1714相對于彼此的8字形路徑。示出8字限制波動設備1700在操作中的運動，圖17B顯示當彎曲帶1710以波動方式變形時波狀輪廓1712的運動圖1740。當彎曲帶1710變形時波狀輪廓1712上的一系列點1750沿著相應路徑1760行進。可以看到一系列點1650中的每個點相對于支撐構(gòu)件1630沿著8字形路徑行進。8字限制波動設備1700可以直接耦合或形狀耦合到固體主體以對其做功，或者可以改為類似于摩擦耦合旋轉(zhuǎn)致動器900通過摩擦耦合。圖17C顯示包括8字限制波動設備1700的摩擦耦合致動器1770，所述8字限制波動設備修改成具有附連到彎曲帶1710的一系列柔性腳1716以用于增加摩擦并且為動態(tài)軸1714提供間隙。摩擦耦合致動器1770還包括摩擦耦合器1780， 該摩擦耦合器具有上內(nèi)表面1782和相對的下內(nèi)表面1784以用于摩擦地接合柔性腳1716。彎曲帶1710以波動方式變形將協(xié)同作用切向運動施加于與上和下內(nèi)表面1782和1784接觸的柔性腳1716，從而在類似滾動運動中同時在上和下內(nèi)表面1782和1784上移動彎曲帶1710。防旋轉(zhuǎn)導向件(未顯示)通過將摩擦耦合器1780限制到平移路徑而防止其旋轉(zhuǎn)。在備選實施例中，如果通過使用至少一個附加8字限制波動設備1700或具有帶多個波長的波狀輪廓1712的彎曲帶1710充分地支撐摩擦耦合器，則可以省略防旋轉(zhuǎn)導向件。在由提供每個設備中的動態(tài)限制的機構(gòu)以波動方式變形時，彎曲帶1510、1610和1710的運動可以在波動周期中的兩個相對位置分叉成表觀前向和后向行進波。在設備1500、1600和1700的備選實施例中，可以提供附加機構(gòu)以動態(tài)地限制相應彎曲帶1510、1610和1710上的附加點以便提供其確定性運動，由此擴展設備1500、1600和1700對需要半個以上連續(xù)波動周期并且波動的表觀方向是重要的應用的適合性。盡管動態(tài)地限制彎曲帶1510和1610上的附加點的路徑涉及額外的復雜性，但是限制彎曲帶1710上的附加點可以通過由于路徑1760的一致增加適當調(diào)相雙止轉(zhuǎn)棒軛機構(gòu)而簡單地實現(xiàn)。不同于完全限制彎曲帶1510、1610和1710上的附加點的運動，諸如彈簧、導向件或二次致動器的偏壓機構(gòu)可以配置成作用于彎曲帶1510、1610和1710以便提供其確定性運動。將領(lǐng)會各種機構(gòu)可以用于將片材動態(tài)地保持在彎曲形式。參考8字限制波動設備1700，四連桿機構(gòu)可以代替雙止轉(zhuǎn)棒軛機構(gòu)以生成8字形路徑1760，并且齒輪、機械連桿或電控制致動器可以代替皮帶1624。圖18顯示波動推進系統(tǒng)1800，示出將彎曲帶上的點的運動限制到耦合8字形路徑的齒輪耦合、四連桿機構(gòu)設計。波動推進系統(tǒng)1800包括具有波狀輪廓1812的彎曲帶1810、以及軸向地對準并且剛性地連接到彎曲帶1810的縱向邊緣和兩個中間位置的動態(tài)軸1 814。動態(tài)軸1814剛性地或在備選實施例中可樞轉(zhuǎn)地連接到連接桿1820，所述連接桿在一端可旋轉(zhuǎn)地連接到第一曲柄臂1830并且在相對端可旋轉(zhuǎn)地連接到第二曲柄臂1832。第一和第二曲柄臂1830和1832可旋轉(zhuǎn)地連接到安裝結(jié)構(gòu)1840，第一曲柄臂1830通過也可旋轉(zhuǎn)地連接到安裝結(jié)構(gòu)1840的蝸輪組1860和非圓形齒輪組1862連接到驅(qū)動軸1850。為了以波動方式以大致恒定凈應變能變形彎曲帶1810，當驅(qū)動軸1850以恒定速度旋轉(zhuǎn)時非圓形齒輪組1862成形為產(chǎn)生動態(tài)軸1814的雙軸正弦運動。盡管彎曲帶1810充分地被限制到具有確定性運動，但是當與相應的第一曲柄臂1830豎直對準時第二曲柄臂1832的每一個的旋轉(zhuǎn)方向可以分叉。由彎曲帶1810施加的彈性力用于防止第二曲柄臂1832的旋轉(zhuǎn)分叉，但是在備選實施例中，第一曲柄臂1830和第二曲柄臂1832還可以與非圓形齒輪組耦合，或者不需要任何非圓形齒輪組，與常規(guī)差動齒輪組奉禹合。有利地，波動推進系統(tǒng)1800能夠由于彎曲帶1810的波狀輪廓1812上的動態(tài)軸1814的數(shù)量和間隔并且由于兩個最外側(cè)動態(tài)軸1814相對于兩個最內(nèi)側(cè)動態(tài)軸1814看到由周圍流體提供的負荷的一半而在波動周期上輸送恒定功率。波動推進系統(tǒng)1800的另一個優(yōu)點在于彎曲帶1810在沒有多個致動器和復雜控制系統(tǒng)的情況下以波動方式可變形，僅僅需要在驅(qū)動軸1850的旋轉(zhuǎn)功率輸入。圖19示出類似于結(jié)構(gòu)1000、但是類似波動推進系統(tǒng)1800機械驅(qū)動的波動推力器1900。波動推力器1900包括具有波狀輪廓1912的鰭狀彎曲片材1910，鰭狀彎曲片材1910沿著縱向邊緣固定連接到背襯結(jié)構(gòu)1920并且沿著它在縱向間隔處的寬度固定連接到鄰近其一端的撐桿1914。撐桿1914在與連接彎曲片材1910—致的中間位置處可樞轉(zhuǎn)地連接到背襯結(jié)構(gòu)1920，并且在另一端可樞轉(zhuǎn)地連接到相應連接桿1930的一端。連接桿1930在另一端可旋轉(zhuǎn)地連接到曲柄軸1940，由此曲柄軸1940的旋轉(zhuǎn)導致?lián)螚U1914將側(cè)向力施加于彎曲片材1910，側(cè)向力用于使彎曲片材1910以波動方式變形，其中它的波狀輪廓1912上的一系列點中的每個點沿著8字形路徑行進。8字形路徑的縱向分量可以歸因于彎曲片材1910的壓縮剛度并且通過連接桿1930的接頭的運動容納在撐桿1914中。盡管在波動推力器1900中使用的曲柄軸機構(gòu)具有較少部件數(shù)量，但是它由于撐桿1914的非正弦振湯而不會導致彎曲片材1910沿著中性穩(wěn)定路徑變形。當彎曲片材1910變形時在其中形成的彈性力的最終不平衡將振蕩扭矩施加于曲柄軸1940上，可以通過將飛輪附連到曲柄軸1940或通過提供平衡振蕩扭矩來抑制其影響。其它機構(gòu)設計當然可以在波動推力器1900的備選實施例中用于以波動方式變形彎曲片材1910，其可以通過以更正弦方式提供撐桿1914的振蕩減小曲柄軸1940上的振蕩扭矩。圖20是根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的制造結(jié)構(gòu)的方法2000的總流程圖。方法2000包括通過在其中引起彎曲應力在柔性片材中形成波狀輪廓的步驟2010。典型地柔性片材具有在2cm至2m之間的最大尺寸；然而,本發(fā)明的實施例也可以在小得多和大得多的尺度上有用，例如作為微型泵或輪船推進器。在步驟2010中使用的柔性片材可以由任何合適的自支撐材料組成，所述自支撐材料通常是具有足以防止來自組合彎曲和致動應力的塑性變形或失效的彈性限度的材料。其它材料選擇考慮可以包括抗疲勞性、彈性滯后、應力松弛特性和蠕變特性、以及抗化學性、耐腐蝕性、耐磨性和耐溫度極限性。作為可以使用的材料的例子而非限制，結(jié)構(gòu)100的彎曲片材110可以是紙或塑料，熱機600的彎曲片材612和環(huán)形帶613可以是鐵、銅、鎳或鈦基合金，并且波動推力器1900的彎曲片材1910可以是纖維增強彈性體。通常，柔性片材具有恒定厚度并且初始是平坦的和無應力的，然而，可以設計變化以在彎曲配置中影響其穩(wěn)定特性。優(yōu)選地，柔性片材具有各向同性機械性質(zhì)以簡化彈性力的平衡，然而，各向異性性質(zhì)可以有用于將彎曲應力引入柔性片材中。為了執(zhí)行步驟20 10，可以通過由應力構(gòu)件施加于其上的力將彎曲應力引入柔性片材中。這樣的應力構(gòu)件可以是靜態(tài)的，例如聲換能器1400的框架1420，或動態(tài)的，例如波動推進系統(tǒng)1800的動態(tài)軸1814。包含可啟動應力構(gòu)件也可以與柔性片材結(jié)合以用于導致其彎曲，或改變特定彎曲配置的穩(wěn)定性。當柔性片材由當保持靜止時由于蠕變或應力松弛在經(jīng)歷一段時間后彈性平衡退化的材料構(gòu)造時，僅僅當需要操作時將彎曲應力引入柔性片材中可能是有利的。備選地或附加地，柔性片材可以由通過形成或制造過程在其中引起的殘余應力而彎曲。顯示在彎曲力由靜態(tài)應力構(gòu)件施加到其上以執(zhí)行步驟2010之前的柔性片材，圖21示出可以用于制造結(jié)構(gòu)1000的部件2100。該部件包括加熱器子組件2110和變?yōu)閺澢鷰?010的預成形體2120。加熱器子組件2110是包括包封在導熱、電絕緣外層2112中的電阻加熱元件1030的撓性帶加熱器。預成形體2120由定形成平坦環(huán)形扇區(qū)的形狀的形狀記憶材料組成，并且包括用于插入和固定加熱器子組件2110的袋2122、和用于將預成形體2120固定連接到支撐件1020的唇邊2124。預成形體2120中的彎曲應力由于唇邊2124和它所固定到的較硬支撐件1020之間的曲率的差異而生成。顯示在其經(jīng)歷制造過程以用于在其中引起殘余應力以執(zhí)行步驟2010之前的柔性片材，圖22示出可以用于制造彎曲片材110的部件2200。部件2200包括狹縫盤2210，該狹縫盤具有徑向狹縫2215、和用于在每個徑向邊緣聯(lián)接到徑向狹縫2215的相對邊緣的扇區(qū)2220，由此柔性片材圓周地被壓縮。優(yōu)選地，狹縫盤2210和扇區(qū)2220盡可能均勻地聯(lián)接以避免會弱化結(jié)構(gòu)并且破壞精細彈性平衡的幾何和材料性質(zhì)的不連續(xù)。更加優(yōu)選地，通過使用包括機械、熱、化學和電磁形成過程以在圓盤的外環(huán)形區(qū)域中產(chǎn)生壓縮的方法在平坦圓盤中引起圓周或徑向殘余應力將彎曲片材110制造成沒有接頭。為了該目的適合于圓周地拉伸平坦圓盤的外環(huán)形部分的機械形成過程包括:滾軋；打平；非常規(guī)旋轉(zhuǎn)(spinning)，其中平坦圓盤以足夠用于氣動彈性顫振的速度旋轉(zhuǎn)以導致塑性變形；以及沖擊(peening)，包括錘擊、噴丸、激光噴丸和點刻。將領(lǐng)會這些形成過程中的許多可以更一般地應用于制造本發(fā)明的結(jié)構(gòu)；例如彎曲帶1010可以通過沖擊由平坦直帶形成，根據(jù)離縱向邊緣1012的距離而密度增加，從而引起殘余彎曲應力。殘余彎曲應力也可以在片材的制造期間在柔性片材中引起。例如，在Mathematical Intelligencer Vol.23Νο.2 (2001) 1337-1359 (Henderson等人)中描述了通過改變連續(xù)行中的針腳的數(shù)量彎曲的由紗鉤編的柔性片材作為雙曲面的構(gòu)造。技術(shù)人員將領(lǐng)會所述的方法怎樣可以應用于其它制造過程，例如針織、編織和打結(jié)。在柔性片材中引起殘余彎曲應力的另一種方式是利用本領(lǐng)域中已知與不對稱復合層壓板相關(guān)的柔性片材的各向異性。也可能由干燥、固化、冷卻等的過程硬化時通過導致可模塑材料中的波狀輪廓波動在諸如紙漿或塑料的可模塑材料的柔性片材中引起殘余彎曲應力。在柔性片材中形成波狀輪廓的步驟2010之后，制造結(jié)構(gòu)的方法2000可以可選地包括針對可接受彈性平衡檢查柔性片材的步驟2020。優(yōu)選地，彈性平衡檢查通過測量以波動方式將柔性片材變形到各位置所需的力執(zhí)行，但是也可以在它以波動方式變形時通過其它方法執(zhí)行，例如柔性片材的振動分析。典型地，彈性平衡的目標狀態(tài)是中性穩(wěn)定的狀態(tài)使得柔性片材在不明顯違背彈性恢復力的情況下可波動。然而在一些情況下，可能理想的是柔性片材具有可以包括一個或多個穩(wěn)定位置的可變應變能輪廓。例如，施加到線性換能器300的滑動器310的彈性恢復 力可以根據(jù)其位置定制。如果由步驟2020確定的柔性片材的穩(wěn)定狀態(tài)是不可接受的，則可以執(zhí)行彈性平衡的步驟2030。彈性平衡可以以多種方式實現(xiàn)，包括:改變作用于柔性片材的外力的分布；改變?nèi)嵝云闹械臍堄鄳Φ姆植?；局部地改變?nèi)嵝云牡膸缀蝿偠龋灰约熬植康馗淖內(nèi)嵝云牡牟牧蟿偠?。可選地，制造結(jié)構(gòu)的方法2000包括將柔性片材聯(lián)接到支撐件以用于控制柔性片材相對于其環(huán)境的變形路徑并且在一些情況下用于傳輸機械能的步驟2040。在柔性片材中切出孔以容納支撐件的情況下可能需要柔性片材的彈性平衡的補償，但是在諸如結(jié)構(gòu)100的其它情況下，可以在彎曲片材110中切出中心孔而不明顯改變它的形式或穩(wěn)定特性。制造結(jié)構(gòu)的方法2000還包括提供與柔性片材聯(lián)系以用于以波動方式變形它的波狀輪廓的功輸入元件的步驟2050。通常，功輸入元件是用于局部地對柔性片材施加應力以導致波動變形的致動器，然而也可以通過局部地改變?nèi)嵝云牡膸缀蝿偠然虿牧蟿偠犬a(chǎn)生波動運動。致動器可以聯(lián)接在柔性片材和外部支撐件之間，可以連接在柔性片材上的兩個點之間，可以以分布方式作用于柔性片材，或者可以形成柔性片材自身。致動器可以布置成主要與柔性片材的縱向或圓周彎折耦合，或布置成與柔性片材的橫向或徑向彎折耦合，或它們的組合。技術(shù)人員將領(lǐng)會許多替代致動器類型和配置可以用作用于導致柔性片材的至少部分波動的功輸入元件。合適的致動器可以包括而不限于:電磁、靜電、液壓、氣動、熱雙材料、壓電、電活化聚合物、形狀記憶材料、磁致伸縮和電致伸縮致動器。在附圖中，已在鞍狀彎曲片材的透視圖上顯示投影網(wǎng)格線以突出它們的曲率并且不指示本發(fā)明的邊緣或形成部分。在說明書中，目的是描述本發(fā)明而不將本發(fā)明限制到任何一個實施例或特征的具體集合。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以從具體實施例實現(xiàn)變化，然而所述變化將屬于本發(fā)明的范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括: 具有波狀輪廓的彎曲片材；以及 與所述彎曲片材聯(lián)系以用于使所述彎曲片材以波動方式變形的一個或多個功輸入元件，其中所述波狀輪廓上的一系列點中的每個點相對于共同參考框架至少部分地沿著8字形路徑行進。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述彎曲片材包括具有各向同性機械性質(zhì)的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述彎曲片材具有為正弦狀的波狀輪廓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述彎曲片材具有從所述彎曲片材的截面觀察的波狀輪廓，所述截面具有選自下列的形狀:圓周、直線和曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述彎曲片材具有從所述彎曲片材的截面觀察的波狀輪廓，所述波狀輪廓具有在垂直于所述截面延伸的方形上以選自下列的方式表征的幅度:大致恒定、單調(diào)和波狀變化。
6.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述彎曲片材為鞍狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其中所述彎曲片材是無接頭的。
8.—種結(jié)構(gòu),所述結(jié)構(gòu)包括: 具有鞍點的彎曲片材，其中鄰近所述鞍點的所述彎曲片材的截面具有鞍形狀；以及 連接到具有鞍形狀的所述彎曲片材的所述截面的一個或多個功輸入元件，用于通過使所述彎曲片材變形而相對于所述鞍點可旋轉(zhuǎn)地重定向所述截面的鞍形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中的任一項所述的結(jié)構(gòu)，其中所述彎曲片材以波動方式以大致恒定凈應變能可變形，由此所述彎曲片材可以在不明顯違背彈性恢復力的情況下變形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任一項所述的結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)呈下列形式之一:換能器；致動器；傳感器；發(fā)生器；風扇；泵；揚聲器；熱機；以及推進系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任一項所述的結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)是用于對與機器聯(lián)系的一個或多個主體做功的所述機器，由此所述彎曲片材由于以波動方式變形而對所述一個或多個主體做功。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的結(jié)構(gòu)，其中所述彎曲片材是機械變換器，所述機械變換器配置成提供所述一個或多個功輸入元件和與所述機器聯(lián)系的所述一個或多個主體之間的機械效益。
13.一種用于對與具有波狀輪廓的彎曲片材聯(lián)系的一個或多個主體做功的方法，所述方法包括使所述彎曲片材變形，其中所述彎曲片材的所述波狀輪廓上的一系列點中的每個點相對于共同參考框架至少部分地沿著8字形路徑行進，由此所述彎曲片材由于變形而將運動產(chǎn)生的力施加于所述一個或多個主體上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述彎曲片材以大致恒定凈應變能變形，由此在不明顯違背彈性恢復力的情況下實現(xiàn)所述彎曲片材的變形。
15.一種制造結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括以下步驟: 通過在柔性片材中引入彎曲應力而在柔性片材中形成波狀輪廓；以及 提供與所述柔性片材聯(lián)系的至少一個功輸入元件，用于使所述波狀輪廓上的一系列點中的每個點相對于共同參考框架沿著8字形路徑行進。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其還包括將所述柔性片材聯(lián)接到支撐件的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其還包括彈性地平衡所述柔性片材的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中在柔性片材中形成波狀輪廓的步驟包括在外部對所述柔性片材施加應力的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中在柔性片材中形成波狀輪廓的步驟包括在所述柔性片材中引起殘余應力的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中在所述柔性片材中引起殘余應力的步驟包括選自下列形成過程中的一個或 多個:滾軋、沖擊、打平和旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種波動結(jié)構(gòu)及其制造和使用方法。該波動結(jié)構(gòu)包括彎曲片材和用于使彎曲片材以波動方式變形的一個或多個功輸入元件，其中彎曲片材的波狀輪廓上的一系列點中的每個點至少部分地沿著8字形路徑行進。該波動結(jié)構(gòu)可以適合用作固態(tài)換能器，其中彎曲片材在不明顯違背彈性恢復力的情況下提供機械效益，由此獲得改善的力、位移和效率特性。
文檔編號F04B45/00GK103249947SQ201180046617
公開日2013年8月14日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者Z.本賈明, C.R.史密斯 申請人:特克通尼克股份有限公司