一種用於實現自由曲面的完全摺疊結構的製作方法
2023-05-17 10:34:06 2
一種用於實現自由曲面的完全摺疊結構的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用於實現自由曲面的完全摺疊結構，該結構包括雙向正交的若干剪鉸式杆件單元、節點和固定裝置；剪鉸式杆件單元通過節點相互連接，形成一個整體；該結構存在1個運動自由度；該結構完全摺疊為一束杆件後，通過控制剪鉸式杆件單元間的角度，展開形成自由曲面網格曲面；固定裝置用於將自由網格曲面固化，使自由網格曲面失去運動自由度而保持穩定狀態。該摺疊結構體系形式新穎、結構受力合理、驅動控制方便、可實現快速組裝及裝配化施工，具有較好的運用前景。
【專利說明】—種用於實現自由曲面的完全摺疊結構
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種可展式結構體系，具體涉及一種可實現自由曲面的完全可摺疊結構體系。
【背景技術】
[0002]現有的技術主要是由杆系單元結構構成可展結構或構件。
[0003]杆系單元結構主要有:
[0004](I)由剪式鉸結構，形成雙層可展網格結構
[0005]剪式單元是由兩根或兩根以上中部互相鉸接，可相互轉動的杆件組成，數個單元通過端部鉸點相互連接，構成基本片單元，再通過鉸接形成可展結構。
[0006]基於剪式單元的雙層可展網格結構可分自穩定可展結構和附加支撐穩定結構，前者在展開過程及工作狀態無需附加支撐。
[0007](2)開合結構
[0008]開合結構在建築上主要用於體育場館的開合屋蓋，在開合方式上有以下幾種類型:水平移動、重疊方式、摺疊方式、混合方式等。
[0009]此外在柔性開合裝置中還應用了索單元和膜單元。
[0010](3)伸縮臂結構
[0011]伸展臂可作為大型太空飛行器的子結構，如智能操作臂、太陽帆、可展天線的支撐臂、雷達定位杆和空間可展平臺等。
[0012]該技術的使用目前存在以下缺陷:1、只能實現平面的可展或簡單曲面的可展，不能實現具有一般性的自由曲面的可展；2、適用範圍不夠廣泛，目前在社會生活中應用較少。
【發明內容】
[0013]技術問題:本實用新型要解決的技術問題是提供一種用於實現自由曲面的完全摺疊結構，一方面對自由曲面的網格劃分方法，另一方面通過一定方法實現完全可展，將此技術推廣到建築領域，增加建築的功能性與觀賞性。
[0014]技術方案:為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種用於實現自由曲面的完全摺疊結構，該結構包括雙向正交的若干剪鉸式杆件單元、節點和固定裝置；剪鉸式杆件單元通過節點相互連接，形成一個整體；該結構存在I個運動自由度；該結構完全摺疊為一束杆件後，通過控制剪鉸式杆件單元間的角度，展開形成自由曲面網格曲面；固定裝置用於將自由網格曲面固化,使自由網格曲面失去運動自由度而保持穩定狀態。
[0015]優選的，每個剪鉸式杆件單元包括四個平面剪鉸式單元，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於一處；
[0016]每個平面剪鉸式單元由兩個杆件組成，通過銷軸連接兩個杆件的中點，兩個杆件可繞該點在平面內轉動，稱該點為銷軸節點；
[0017]第一平面剪鉸式單元所包含的兩個杆件長度分別是2Xl，2yi，第二平面剪鉸式單元所包含的兩個杆件長度分別是2x2，2y2，第三平面剪鉸式單元所包含的兩個杆件長度分別是2x3，2y3，第四平面剪鉸式單元所包含的兩個杆件長度分別是2x4，2y4，其滿足如下幾何關係:
[001 8] X^y1-X2+y2_X3+y3_X4+y4。
[0019]優選的，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有上弦連接節點和下弦連接節點兩個連接節點，每個連接節點上設有孔槽，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杆件外徑相同。
[0020]優選的，固定裝置為豎向腹杆，豎向腹杆的兩端分別與剪鉸式單元上下弦節點連接固定，且豎向腹杆長度可自由調節。
[0021]有益效果:與現有技術相比，本實用新型具有如下的特色及優點:
[0022]對於一大類自由曲面(該類自由曲面需滿足曲面形狀通過一條曲線沿另一條平移得到)，都可以用這種結構體系實現它的完全摺疊與展開，不僅大大提高了結構的可觀賞性，而且整個結構構件僅有一個自由度，方便固定。該結構可以實現現場快速組裝與裝配，大大提高施工建造效率。且結 構具有可展特性，再利用率高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1a是自由曲面網格結構整體視圖；
[0024]圖1b是自由曲面網格結構主視圖；
[0025]圖1c是自由曲面網格結構左視圖；
[0026]圖1d是自由曲面網格結構俯視圖；
[0027]圖2a是節點三維視圖；
[0028]圖2b是節點俯視圖；
[0029]圖2c是節點主視圖；
[0030]圖2d是節點左視圖；
[0031 ]圖3a是剪鉸式杆件單元；
[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是豎向腹杆。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖對本實用新型作更進一步的說明。
[0038]本實用新型提供的用於實現自由曲面的完全摺疊結構，該結構包括雙向正交的若干剪鉸式杆件單元、節點和固定裝置；剪鉸式杆件單元通過節點相互連接，形成一個整體；該結構存在I個運動自由度；該結構完全摺疊為一束杆件後，通過控制剪鉸式杆件單元間的角度，展開形成自由曲面網格曲面；固定裝置用於將自由網格曲面固化，使自由網格曲面失去運動自由度而保持穩定狀態。
[0039]每個剪鉸式杆件單元包括四個平面剪鉸式單元，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正交交匯於一處;
[0040]每個平面剪鉸式單元由兩個杆件組成，通過銷軸連接兩個杆件的中點，兩個杆件可繞該點在平面內轉動，稱該點為銷軸節點；
[0041]第一平面剪鉸式單元A所包含的兩個杆件長度分別是2Xl，2yi，第二平面剪鉸式單元B所包含的兩個杆件長度分別是2x2，2y2，第三平面剪鉸式單元C所包含的兩個杆件長度分別是2x3，2y3，第四平面剪鉸式單元D所包含的兩個杆件長度分別是2x4，2y4，其滿足如下幾何關係:
[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正交交匯處設有上弦連接節點和下弦連接節點兩個連接節點，每個連接節點上設有孔槽，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中包含的杆件外徑相同。
[0044]固定裝置為豎向腹杆，豎向腹杆的兩端分別與剪鉸式單元上下弦節點連接固定，且豎向腹杆長度可自由調節。
[0045]本實用新型還提供了一種用於實現自由曲面的完全摺疊結構的方法，該方法包括如下步驟:
[0046]首先將剪鉸式杆件單元通過節點相互連接，形成一個整體；該結構完全摺疊為一束杆件後，通過控制剪鉸式杆件單元間的角度，展開形成自由曲面網格曲面，對自由曲面網格的單元劃分，為了方便收納與展開節點採用統一的節點，將需要進行開合設計的自由曲面按照兩個方向完全正交的方法進行劃分，將自由曲面劃分為若干個小矩形單元；
[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分別在距杆端的位置進行打孔，以方便與節點之間的連接；
[0048]每個平面剪鉸式單元由兩個杆件組成，通過銷軸連接兩個杆件的中點，兩個杆件可繞該點在平面內轉動，稱該點為銷軸節點；為了滿足曲面要求，銷軸節點所在位置位於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所包含的每個杆件的中點，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中所包含的每個杆件的長度需要根據單元位置進行調整，杆件與節點之間由螺栓進行固定。
[0049]圖1a-1d為我們所設計的一種自由曲面的三視圖，從俯視圖中可見本方案的網格劃分技術是通過計算將自由曲面劃分為兩個方向完全正交的單元，將每個單元劃分為一個矩形，方便杆件與本方案所用節點的連接。正視圖和左視圖表明本設計方案的兩個方向的投影都是自由曲線，可證明對於其它曲面形狀也可以用這種網格劃分技術加以劃分。
[0050]圖2a_2d為我們所使用的節點圖，圖中孔槽的寬度a與杆件的外徑相等，每一個孔槽的內邊界的延長線通過節點的中心且同一方向上的兩個孔槽分列於節點中心兩側以保證可展剪式鉸單元杆件不會在鉸接點處產生過大的剪力使杆件有折彎或折斷的情況。圖2b中I為剪鉸式單元與節點連接的螺栓孔，2為豎向腹杆連接上下節點的螺栓孔。
[0051]圖3a_3e為本實驗模型自由曲面的剪鉸式杆件的設計圖。取圖1.1中整體網格結構視圖中任一單元區域為例，該單元共包含A、B、C、D四個平面剪鉸式單元，各杆件單元的尺寸標註見圖三。圖3中I為剪鉸式單元的銷軸節點，2為節點與鉸式單元連接的螺栓孔。每個杆件單元的杆件長度根據單元位置的變化各不相同，杆件兩端離末端一定距離開有螺栓孔方便與節點連接，杆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後，該空間剪鉸式單元的兩個方向均可以實現完全摺疊，從而實現了整個自由曲面網格結構的完全摺疊。
[0054]圖四為用於固定展開後的自由曲面結構的豎向腹杆，通過豎向腹杆連接同一單元的上下弦的兩個節點，使整個結構失去自由度實現固化。由於結構的自重以及曲面形狀等因素的影響，需要增設多個豎向腹杆以保證結構的整體穩定。另外，我們所設計的豎向腹杆由兩段拼接而成，可通過中間的螺杆部分調節豎向腹杆的長度，從而克服了誤差對上下弦節點之間距離的影響。
【權利要求】
1.一種用於實現自由曲面的完全摺疊結構，其特徵在於，該結構包括雙向正交的若干剪鉸式杆件單元、節點和固定裝置；剪鉸式杆件單元通過節點相互連接，形成一個整體；該結構存在I個運動自由度；該結構完全摺疊為一束杆件後，通過控制剪鉸式杆件單元間的角度，展開形成自由曲面網格曲面；固定裝置用於將自由網格曲面固化，使自由網格曲面失去運動自由度而保持穩定狀態。
2.根據權利要求1所述的用於實現自由曲面的完全摺疊結構，其特徵在於，每個剪鉸式杆件單元包括四個平面剪鉸式單元，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)正交交匯於一處； 每個平面剪鉸式單元由兩個杆件組成，通過銷軸連接兩個杆件的中點，兩個杆件可繞該點在平面內轉動，稱該點為銷軸節點； 第一平面剪鉸式單元(A)所包含的兩個杆件長度分別是2Xl，2yi，第二平面剪鉸式單元(B)所包含的兩個杆件長度分別是2x2，2y2，第三平面剪鉸式單元(C)所包含的兩個杆件長度分別是2x3，2y3，第四平面剪鉸式單元(D)所包含的兩個杆件長度分別是2x4，2y4，其滿足如下幾何關係:
xi+y i_x2+y2_x3+y 3_x4+y 4。
3.根據權利要求2所述的用於實現自由曲面的完全摺疊結構，其特徵在於，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)正交交匯處設有上弦連接節點和下弦連接節點兩個連接節點，每個連接節點上設有孔槽，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)中包含的杆件外徑相同。
4.根據權利要求2所述的用於實現自由曲面的完全摺疊結構，其特徵在於，固定裝置為豎向腹杆，豎向腹杆的兩端分別與剪鉸式單元上下弦節點連接固定，且豎向腹杆長度可自由調節。
【文檔編號】E04B1/58GK203701274SQ201420016050
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年1月10日 優先權日:2014年1月10日
【發明者】陸金鈺, 解文靜, 陸帥, 孫躍, 沈凱, 李娜, 王卉 申請人:東南大學