一種用于實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種用于實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括雙向正交的若干剪鉸式桿件單元、節(jié)點(diǎn)和固定裝置；剪鉸式桿件單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互連接，形成一個(gè)整體；該結(jié)構(gòu)存在1個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；該結(jié)構(gòu)完全折疊為一束桿件后，通過(guò)控制剪鉸式桿件單元間的角度，展開形成自由曲面網(wǎng)格曲面；固定裝置用于將自由網(wǎng)格曲面固化，使自由網(wǎng)格曲面失去運(yùn)動(dòng)自由度而保持穩(wěn)定狀態(tài)。該折疊結(jié)構(gòu)體系形式新穎、結(jié)構(gòu)受力合理、驅(qū)動(dòng)控制方便、可實(shí)現(xiàn)快速組裝及裝配化施工，具有較好的運(yùn)用前景。
【專利說(shuō)明】—種用于實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種可展式結(jié)構(gòu)體系，具體涉及一種可實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全可折疊結(jié)構(gòu)體系。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的技術(shù)主要是由桿系單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成可展結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。
[0003]桿系單元結(jié)構(gòu)主要有:
[0004](I)由剪式鉸結(jié)構(gòu)，形成雙層可展網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
[0005]剪式單元是由兩根或兩根以上中部互相鉸接，可相互轉(zhuǎn)動(dòng)的桿件組成，數(shù)個(gè)單元通過(guò)端部鉸點(diǎn)相互連接，構(gòu)成基本片單元，再通過(guò)鉸接形成可展結(jié)構(gòu)。
[0006]基于剪式單元的雙層可展網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可分自穩(wěn)定可展結(jié)構(gòu)和附加支撐穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，前者在展開過(guò)程及工作狀態(tài)無(wú)需附加支撐。
[0007](2)開合結(jié)構(gòu)
[0008]開合結(jié)構(gòu)在建筑上主要用于體育場(chǎng)館的開合屋蓋，在開合方式上有以下幾種類型:水平移動(dòng)、重疊方式、折疊方式、混合方式等。
[0009]此外在柔性開合裝置中還應(yīng)用了索單元和膜單元。
[0010](3)伸縮臂結(jié)構(gòu)
[0011]伸展臂可作為大型航天器的子結(jié)構(gòu)，如智能操作臂、太陽(yáng)帆、可展天線的支撐臂、雷達(dá)定位桿和空間可展平臺(tái)等。
[0012]該技術(shù)的使用目前存在以下缺陷:1、只能實(shí)現(xiàn)平面的可展或簡(jiǎn)單曲面的可展，不能實(shí)現(xiàn)具有一般性的自由曲面的可展；2、適用范圍不夠廣泛，目前在社會(huì)生活中應(yīng)用較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]技術(shù)問(wèn)題:本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構(gòu)，一方面對(duì)自由曲面的網(wǎng)格劃分方法，另一方面通過(guò)一定方法實(shí)現(xiàn)完全可展，將此技術(shù)推廣到建筑領(lǐng)域，增加建筑的功能性與觀賞性。
[0014]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種用于實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括雙向正交的若干剪鉸式桿件單元、節(jié)點(diǎn)和固定裝置；剪鉸式桿件單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互連接，形成一個(gè)整體；該結(jié)構(gòu)存在I個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；該結(jié)構(gòu)完全折疊為一束桿件后，通過(guò)控制剪鉸式桿件單元間的角度，展開形成自由曲面網(wǎng)格曲面；固定裝置用于將自由網(wǎng)格曲面固化,使自由網(wǎng)格曲面失去運(yùn)動(dòng)自由度而保持穩(wěn)定狀態(tài)。
[0015]優(yōu)選的，每個(gè)剪鉸式桿件單元包括四個(gè)平面剪鉸式單元，分別為第一平面剪鉸式單元、第二平面剪鉸式單元、第三平面剪鉸式單元和第四平面剪鉸式單元；且第一平面剪鉸式單元、第二平面剪鉸式單元、第三平面剪鉸式單元和第四平面剪鉸式單元正交交匯于一處；
[0016]每個(gè)平面剪鉸式單元由兩個(gè)桿件組成，通過(guò)銷軸連接兩個(gè)桿件的中點(diǎn)，兩個(gè)桿件可繞該點(diǎn)在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，稱該點(diǎn)為銷軸節(jié)點(diǎn)；
[0017]第一平面剪鉸式單元所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2Xl，2yi，第二平面剪鉸式單元所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2x2，2y2，第三平面剪鉸式單元所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2x3，2y3，第四平面剪鉸式單元所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2x4，2y4，其滿足如下幾何關(guān)系:
[001 8] X^y1-X2+y2_X3+y3_X4+y4。
[0019]優(yōu)選的，第一平面剪鉸式單元、第二平面剪鉸式單元、第三平面剪鉸式單元和第四平面剪鉸式單元正交交匯處設(shè)有上弦連接節(jié)點(diǎn)和下弦連接節(jié)點(diǎn)兩個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，每個(gè)連接節(jié)點(diǎn)上設(shè)有孔槽，該孔槽的寬度與第一平面剪鉸式單元、第二平面剪鉸式單元、第三平面剪鉸式單元和第四平面剪鉸式單元中包含的桿件外徑相同。
[0020]優(yōu)選的，固定裝置為豎向腹桿，豎向腹桿的兩端分別與剪鉸式單元上下弦節(jié)點(diǎn)連接固定，且豎向腹桿長(zhǎng)度可自由調(diào)節(jié)。
[0021]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下的特色及優(yōu)點(diǎn):
[0022]對(duì)于一大類自由曲面(該類自由曲面需滿足曲面形狀通過(guò)一條曲線沿另一條平移得到)，都可以用這種結(jié)構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)它的完全折疊與展開，不僅大大提高了結(jié)構(gòu)的可觀賞性，而且整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件僅有一個(gè)自由度，方便固定。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速組裝與裝配，大大提高施工建造效率。且結(jié) 構(gòu)具有可展特性，再利用率高。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1a是自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體視圖；
[0024]圖1b是自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主視圖；
[0025]圖1c是自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)左視圖；
[0026]圖1d是自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0027]圖2a是節(jié)點(diǎn)三維視圖；
[0028]圖2b是節(jié)點(diǎn)俯視圖；
[0029]圖2c是節(jié)點(diǎn)主視圖；
[0030]圖2d是節(jié)點(diǎn)左視圖；
[0031 ]圖3a是剪鉸式桿件單元；
[0032]圖3b是第一平面剪鉸式單元A ；
[0033]圖3c是第二平面剪鉸式單元B ；
[0034]圖3d是第三平面剪鉸式單元C ；
[0035]圖3e是第四平面剪鉸式單元D ；
[0036]圖4是豎向腹桿。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0038]本實(shí)用新型提供的用于實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括雙向正交的若干剪鉸式桿件單元、節(jié)點(diǎn)和固定裝置；剪鉸式桿件單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互連接，形成一個(gè)整體；該結(jié)構(gòu)存在I個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；該結(jié)構(gòu)完全折疊為一束桿件后，通過(guò)控制剪鉸式桿件單元間的角度，展開形成自由曲面網(wǎng)格曲面；固定裝置用于將自由網(wǎng)格曲面固化，使自由網(wǎng)格曲面失去運(yùn)動(dòng)自由度而保持穩(wěn)定狀態(tài)。
[0039]每個(gè)剪鉸式桿件單元包括四個(gè)平面剪鉸式單元，分別為第一平面剪鉸式單元A、第二平面剪鉸式單元B、第三平面剪鉸式單元C和第四平面剪鉸式單元D ;且第一平面剪鉸式單元A、第二平面剪鉸式單元B、第三平面剪鉸式單元C和第四平面剪鉸式單元D正交交匯于一處;
[0040]每個(gè)平面剪鉸式單元由兩個(gè)桿件組成，通過(guò)銷軸連接兩個(gè)桿件的中點(diǎn)，兩個(gè)桿件可繞該點(diǎn)在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，稱該點(diǎn)為銷軸節(jié)點(diǎn)；
[0041]第一平面剪鉸式單元A所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2Xl，2yi，第二平面剪鉸式單元B所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2x2，2y2，第三平面剪鉸式單元C所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2x3，2y3，第四平面剪鉸式單元D所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2x4，2y4，其滿足如下幾何關(guān)系:
[0042]xi+ypx^yfx^yfx^yp
[0043]第一平面剪鉸式單元A、第二平面剪鉸式單元B、第三平面剪鉸式單元C和第四平面剪鉸式單元D正交交匯處設(shè)有上弦連接節(jié)點(diǎn)和下弦連接節(jié)點(diǎn)兩個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，每個(gè)連接節(jié)點(diǎn)上設(shè)有孔槽，該孔槽的寬度與第一平面剪鉸式單元A、第二平面剪鉸式單元B、第三平面剪鉸式單元C和第四平面剪鉸式單元D中包含的桿件外徑相同。
[0044]固定裝置為豎向腹桿，豎向腹桿的兩端分別與剪鉸式單元上下弦節(jié)點(diǎn)連接固定，且豎向腹桿長(zhǎng)度可自由調(diào)節(jié)。
[0045]本實(shí)用新型還提供了一種用于實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下步驟:
[0046]首先將剪鉸式桿件單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互連接，形成一個(gè)整體；該結(jié)構(gòu)完全折疊為一束桿件后，通過(guò)控制剪鉸式桿件單元間的角度，展開形成自由曲面網(wǎng)格曲面，對(duì)自由曲面網(wǎng)格的單元?jiǎng)澐?，為了方便收納與展開節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)，將需要進(jìn)行開合設(shè)計(jì)的自由曲面按照兩個(gè)方向完全正交的方法進(jìn)行劃分，將自由曲面劃分為若干個(gè)小矩形單元；
[0047]其次第一平面剪鉸式單元A、第二平面剪鉸式單元B、第三平面剪鉸式單元C和第四平面剪鉸式單元D分別在距桿端的位置進(jìn)行打孔，以方便與節(jié)點(diǎn)之間的連接；
[0048]每個(gè)平面剪鉸式單元由兩個(gè)桿件組成，通過(guò)銷軸連接兩個(gè)桿件的中點(diǎn)，兩個(gè)桿件可繞該點(diǎn)在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，稱該點(diǎn)為銷軸節(jié)點(diǎn)；為了滿足曲面要求，銷軸節(jié)點(diǎn)所在位置位于第一平面剪鉸式單元A、第二平面剪鉸式單元B、第三平面剪鉸式單元C和第四平面剪鉸式單元D所包含的每個(gè)桿件的中點(diǎn)，而第一平面剪鉸式單元A、第二平面剪鉸式單元B、第三平面剪鉸式單元C和第四平面剪鉸式單元D中所包含的每個(gè)桿件的長(zhǎng)度需要根據(jù)單元位置進(jìn)行調(diào)整，桿件與節(jié)點(diǎn)之間由螺栓進(jìn)行固定。
[0049]圖1a-1d為我們所設(shè)計(jì)的一種自由曲面的三視圖，從俯視圖中可見本方案的網(wǎng)格劃分技術(shù)是通過(guò)計(jì)算將自由曲面劃分為兩個(gè)方向完全正交的單元，將每個(gè)單元?jiǎng)澐譃橐粋€(gè)矩形，方便桿件與本方案所用節(jié)點(diǎn)的連接。正視圖和左視圖表明本設(shè)計(jì)方案的兩個(gè)方向的投影都是自由曲線，可證明對(duì)于其它曲面形狀也可以用這種網(wǎng)格劃分技術(shù)加以劃分。
[0050]圖2a_2d為我們所使用的節(jié)點(diǎn)圖，圖中孔槽的寬度a與桿件的外徑相等，每一個(gè)孔槽的內(nèi)邊界的延長(zhǎng)線通過(guò)節(jié)點(diǎn)的中心且同一方向上的兩個(gè)孔槽分列于節(jié)點(diǎn)中心兩側(cè)以保證可展剪式鉸單元桿件不會(huì)在鉸接點(diǎn)處產(chǎn)生過(guò)大的剪力使桿件有折彎或折斷的情況。圖2b中I為剪鉸式單元與節(jié)點(diǎn)連接的螺栓孔，2為豎向腹桿連接上下節(jié)點(diǎn)的螺栓孔。
[0051]圖3a_3e為本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥杂汕娴募翥q式桿件的設(shè)計(jì)圖。取圖1.1中整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)視圖中任一單元區(qū)域?yàn)槔?，該單元共包含A、B、C、D四個(gè)平面剪鉸式單元，各桿件單元的尺寸標(biāo)注見圖三。圖3中I為剪鉸式單元的銷軸節(jié)點(diǎn)，2為節(jié)點(diǎn)與鉸式單元連接的螺栓孔。每個(gè)桿件單元的桿件長(zhǎng)度根據(jù)單元位置的變化各不相同，桿件兩端離末端一定距離開有螺栓孔方便與節(jié)點(diǎn)連接，桿件尺寸需要滿足以下幾何要求:
[0052]Xfy1-x2+y2_x3+y3_x4+y4。
[0053]滿足上述尺寸的要求后，該空間剪鉸式單元的兩個(gè)方向均可以實(shí)現(xiàn)完全折疊，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的完全折疊。
[0054]圖四為用于固定展開后的自由曲面結(jié)構(gòu)的豎向腹桿，通過(guò)豎向腹桿連接同一單元的上下弦的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，使整個(gè)結(jié)構(gòu)失去自由度實(shí)現(xiàn)固化。由于結(jié)構(gòu)的自重以及曲面形狀等因素的影響，需要增設(shè)多個(gè)豎向腹桿以保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。另外，我們所設(shè)計(jì)的豎向腹桿由兩段拼接而成，可通過(guò)中間的螺桿部分調(diào)節(jié)豎向腹桿的長(zhǎng)度，從而克服了誤差對(duì)上下弦節(jié)點(diǎn)之間距離的影響。
【權(quán)利要求】
1.一種用于實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括雙向正交的若干剪鉸式桿件單元、節(jié)點(diǎn)和固定裝置；剪鉸式桿件單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互連接，形成一個(gè)整體；該結(jié)構(gòu)存在I個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；該結(jié)構(gòu)完全折疊為一束桿件后，通過(guò)控制剪鉸式桿件單元間的角度，展開形成自由曲面網(wǎng)格曲面；固定裝置用于將自由網(wǎng)格曲面固化，使自由網(wǎng)格曲面失去運(yùn)動(dòng)自由度而保持穩(wěn)定狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構(gòu)，其特征在于，每個(gè)剪鉸式桿件單元包括四個(gè)平面剪鉸式單元，分別為第一平面剪鉸式單元(A)、第二平面剪鉸式單元(B)、第三平面剪鉸式單元(C)和第四平面剪鉸式單元(D);且第一平面剪鉸式單元(A)、第二平面剪鉸式單元(B)、第三平面剪鉸式單元(C)和第四平面剪鉸式單元(D)正交交匯于一處； 每個(gè)平面剪鉸式單元由兩個(gè)桿件組成，通過(guò)銷軸連接兩個(gè)桿件的中點(diǎn)，兩個(gè)桿件可繞該點(diǎn)在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，稱該點(diǎn)為銷軸節(jié)點(diǎn)； 第一平面剪鉸式單元(A)所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2Xl，2yi，第二平面剪鉸式單元(B)所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2x2，2y2，第三平面剪鉸式單元(C)所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2x3，2y3，第四平面剪鉸式單元(D)所包含的兩個(gè)桿件長(zhǎng)度分別是2x4，2y4，其滿足如下幾何關(guān)系:
xi+y i_x2+y2_x3+y 3_x4+y 4。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構(gòu)，其特征在于，第一平面剪鉸式單元(A)、第二平 面剪鉸式單元(B)、第三平面剪鉸式單元(C)和第四平面剪鉸式單元(D)正交交匯處設(shè)有上弦連接節(jié)點(diǎn)和下弦連接節(jié)點(diǎn)兩個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，每個(gè)連接節(jié)點(diǎn)上設(shè)有孔槽，該孔槽的寬度與第一平面剪鉸式單元(A)、第二平面剪鉸式單元(B)、第三平面剪鉸式單元(C)和第四平面剪鉸式單元(D)中包含的桿件外徑相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于實(shí)現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構(gòu)，其特征在于，固定裝置為豎向腹桿，豎向腹桿的兩端分別與剪鉸式單元上下弦節(jié)點(diǎn)連接固定，且豎向腹桿長(zhǎng)度可自由調(diào)節(jié)。
【文檔編號(hào)】E04B1/58GK203701274SQ201420016050
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】陸金鈺, 解文靜, 陸帥, 孫躍, 沈凱, 李娜, 王卉 申請(qǐng)人:東南大學(xué)