一种用于实现自由曲面的完全折叠结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于实现自由曲面的完全折叠结构，该结构包括双向正交的若干剪铰式杆件单元、节点和固定装置；剪铰式杆件单元通过节点相互连接，形成一个整体；该结构存在1个运动自由度；该结构完全折叠为一束杆件后，通过控制剪铰式杆件单元间的角度，展开形成自由曲面网格曲面；固定装置用于将自由网格曲面固化，使自由网格曲面失去运动自由度而保持稳定状态。该折叠结构体系形式新颖、结构受力合理、驱动控制方便、可实现快速组装及装配化施工，具有较好的运用前景。
【专利说明】—种用于实现自由曲面的完全折叠结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种可展式结构体系，具体涉及一种可实现自由曲面的完全可折叠结构体系。
【背景技术】
[0002]现有的技术主要是由杆系单元结构构成可展结构或构件。
[0003]杆系单元结构主要有:
[0004](I)由剪式铰结构，形成双层可展网格结构
[0005]剪式单元是由两根或两根以上中部互相铰接，可相互转动的杆件组成，数个单元通过端部铰点相互连接，构成基本片单元，再通过铰接形成可展结构。
[0006]基于剪式单元的双层可展网格结构可分自稳定可展结构和附加支撑稳定结构，前者在展开过程及工作状态无需附加支撑。
[0007](2)开合结构
[0008]开合结构在建筑上主要用于体育场馆的开合屋盖，在开合方式上有以下几种类型:水平移动、重叠方式、折叠方式、混合方式等。
[0009]此外在柔性开合装置中还应用了索单元和膜单元。
[0010](3)伸缩臂结构
[0011]伸展臂可作为大型航天器的子结构，如智能操作臂、太阳帆、可展天线的支撑臂、雷达定位杆和空间可展平台等。
[0012]该技术的使用目前存在以下缺陷:1、只能实现平面的可展或简单曲面的可展，不能实现具有一般性的自由曲面的可展；2、适用范围不够广泛，目前在社会生活中应用较少。
【发明内容】
[0013]技术问题:本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于实现自由曲面的完全折叠结构，一方面对自由曲面的网格划分方法，另一方面通过一定方法实现完全可展，将此技术推广到建筑领域，增加建筑的功能性与观赏性。
[0014]技术方案:为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种用于实现自由曲面的完全折叠结构，该结构包括双向正交的若干剪铰式杆件单元、节点和固定装置；剪铰式杆件单元通过节点相互连接，形成一个整体；该结构存在I个运动自由度；该结构完全折叠为一束杆件后，通过控制剪铰式杆件单元间的角度，展开形成自由曲面网格曲面；固定装置用于将自由网格曲面固化,使自由网格曲面失去运动自由度而保持稳定状态。
[0015]优选的，每个剪铰式杆件单元包括四个平面剪铰式单元，分别为第一平面剪铰式单元、第二平面剪铰式单元、第三平面剪铰式单元和第四平面剪铰式单元；且第一平面剪铰式单元、第二平面剪铰式单元、第三平面剪铰式单元和第四平面剪铰式单元正交交汇于一处；
[0016]每个平面剪铰式单元由两个杆件组成，通过销轴连接两个杆件的中点，两个杆件可绕该点在平面内转动，称该点为销轴节点；
[0017]第一平面剪铰式单元所包含的两个杆件长度分别是2Xl，2yi，第二平面剪铰式单元所包含的两个杆件长度分别是2x2，2y2，第三平面剪铰式单元所包含的两个杆件长度分别是2x3，2y3，第四平面剪铰式单元所包含的两个杆件长度分别是2x4，2y4，其满足如下几何关系:
[001 8] X^y1-X2+y2_X3+y3_X4+y4。
[0019]优选的，第一平面剪铰式单元、第二平面剪铰式单元、第三平面剪铰式单元和第四平面剪铰式单元正交交汇处设有上弦连接节点和下弦连接节点两个连接节点，每个连接节点上设有孔槽，该孔槽的宽度与第一平面剪铰式单元、第二平面剪铰式单元、第三平面剪铰式单元和第四平面剪铰式单元中包含的杆件外径相同。
[0020]优选的，固定装置为竖向腹杆，竖向腹杆的两端分别与剪铰式单元上下弦节点连接固定，且竖向腹杆长度可自由调节。
[0021]有益效果:与现有技术相比，本实用新型具有如下的特色及优点:
[0022]对于一大类自由曲面(该类自由曲面需满足曲面形状通过一条曲线沿另一条平移得到)，都可以用这种结构体系实现它的完全折叠与展开，不仅大大提高了结构的可观赏性，而且整个结构构件仅有一个自由度，方便固定。该结构可以实现现场快速组装与装配，大大提高施工建造效率。且结 构具有可展特性，再利用率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1a是自由曲面网格结构整体视图；
[0024]图1b是自由曲面网格结构主视图；
[0025]图1c是自由曲面网格结构左视图；
[0026]图1d是自由曲面网格结构俯视图；
[0027]图2a是节点三维视图；
[0028]图2b是节点俯视图；
[0029]图2c是节点主视图；
[0030]图2d是节点左视图；
[0031 ]图3a是剪铰式杆件单元；
[0032]图3b是第一平面剪铰式单元A ；
[0033]图3c是第二平面剪铰式单元B ；
[0034]图3d是第三平面剪铰式单元C ；
[0035]图3e是第四平面剪铰式单元D ；
[0036]图4是竖向腹杆。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。
[0038]本实用新型提供的用于实现自由曲面的完全折叠结构，该结构包括双向正交的若干剪铰式杆件单元、节点和固定装置；剪铰式杆件单元通过节点相互连接，形成一个整体；该结构存在I个运动自由度；该结构完全折叠为一束杆件后，通过控制剪铰式杆件单元间的角度，展开形成自由曲面网格曲面；固定装置用于将自由网格曲面固化，使自由网格曲面失去运动自由度而保持稳定状态。
[0039]每个剪铰式杆件单元包括四个平面剪铰式单元，分别为第一平面剪铰式单元A、第二平面剪铰式单元B、第三平面剪铰式单元C和第四平面剪铰式单元D ;且第一平面剪铰式单元A、第二平面剪铰式单元B、第三平面剪铰式单元C和第四平面剪铰式单元D正交交汇于一处;
[0040]每个平面剪铰式单元由两个杆件组成，通过销轴连接两个杆件的中点，两个杆件可绕该点在平面内转动，称该点为销轴节点；
[0041]第一平面剪铰式单元A所包含的两个杆件长度分别是2Xl，2yi，第二平面剪铰式单元B所包含的两个杆件长度分别是2x2，2y2，第三平面剪铰式单元C所包含的两个杆件长度分别是2x3，2y3，第四平面剪铰式单元D所包含的两个杆件长度分别是2x4，2y4，其满足如下几何关系:
[0042]xi+ypx^yfx^yfx^yp
[0043]第一平面剪铰式单元A、第二平面剪铰式单元B、第三平面剪铰式单元C和第四平面剪铰式单元D正交交汇处设有上弦连接节点和下弦连接节点两个连接节点，每个连接节点上设有孔槽，该孔槽的宽度与第一平面剪铰式单元A、第二平面剪铰式单元B、第三平面剪铰式单元C和第四平面剪铰式单元D中包含的杆件外径相同。
[0044]固定装置为竖向腹杆，竖向腹杆的两端分别与剪铰式单元上下弦节点连接固定，且竖向腹杆长度可自由调节。
[0045]本实用新型还提供了一种用于实现自由曲面的完全折叠结构的方法，该方法包括如下步骤:
[0046]首先将剪铰式杆件单元通过节点相互连接，形成一个整体；该结构完全折叠为一束杆件后，通过控制剪铰式杆件单元间的角度，展开形成自由曲面网格曲面，对自由曲面网格的单元划分，为了方便收纳与展开节点采用统一的节点，将需要进行开合设计的自由曲面按照两个方向完全正交的方法进行划分，将自由曲面划分为若干个小矩形单元；
[0047]其次第一平面剪铰式单元A、第二平面剪铰式单元B、第三平面剪铰式单元C和第四平面剪铰式单元D分别在距杆端的位置进行打孔，以方便与节点之间的连接；
[0048]每个平面剪铰式单元由两个杆件组成，通过销轴连接两个杆件的中点，两个杆件可绕该点在平面内转动，称该点为销轴节点；为了满足曲面要求，销轴节点所在位置位于第一平面剪铰式单元A、第二平面剪铰式单元B、第三平面剪铰式单元C和第四平面剪铰式单元D所包含的每个杆件的中点，而第一平面剪铰式单元A、第二平面剪铰式单元B、第三平面剪铰式单元C和第四平面剪铰式单元D中所包含的每个杆件的长度需要根据单元位置进行调整，杆件与节点之间由螺栓进行固定。
[0049]图1a-1d为我们所设计的一种自由曲面的三视图，从俯视图中可见本方案的网格划分技术是通过计算将自由曲面划分为两个方向完全正交的单元，将每个单元划分为一个矩形，方便杆件与本方案所用节点的连接。正视图和左视图表明本设计方案的两个方向的投影都是自由曲线，可证明对于其它曲面形状也可以用这种网格划分技术加以划分。
[0050]图2a_2d为我们所使用的节点图，图中孔槽的宽度a与杆件的外径相等，每一个孔槽的内边界的延长线通过节点的中心且同一方向上的两个孔槽分列于节点中心两侧以保证可展剪式铰单元杆件不会在铰接点处产生过大的剪力使杆件有折弯或折断的情况。图2b中I为剪铰式单元与节点连接的螺栓孔，2为竖向腹杆连接上下节点的螺栓孔。
[0051]图3a_3e为本实验模型自由曲面的剪铰式杆件的设计图。取图1.1中整体网格结构视图中任一单元区域为例，该单元共包含A、B、C、D四个平面剪铰式单元，各杆件单元的尺寸标注见图三。图3中I为剪铰式单元的销轴节点，2为节点与铰式单元连接的螺栓孔。每个杆件单元的杆件长度根据单元位置的变化各不相同，杆件两端离末端一定距离开有螺栓孔方便与节点连接，杆件尺寸需要满足以下几何要求:
[0052]Xfy1-x2+y2_x3+y3_x4+y4。
[0053]满足上述尺寸的要求后，该空间剪铰式单元的两个方向均可以实现完全折叠，从而实现了整个自由曲面网格结构的完全折叠。
[0054]图四为用于固定展开后的自由曲面结构的竖向腹杆，通过竖向腹杆连接同一单元的上下弦的两个节点，使整个结构失去自由度实现固化。由于结构的自重以及曲面形状等因素的影响，需要增设多个竖向腹杆以保证结构的整体稳定。另外，我们所设计的竖向腹杆由两段拼接而成，可通过中间的螺杆部分调节竖向腹杆的长度，从而克服了误差对上下弦节点之间距离的影响。
【权利要求】
1.一种用于实现自由曲面的完全折叠结构，其特征在于，该结构包括双向正交的若干剪铰式杆件单元、节点和固定装置；剪铰式杆件单元通过节点相互连接，形成一个整体；该结构存在I个运动自由度；该结构完全折叠为一束杆件后，通过控制剪铰式杆件单元间的角度，展开形成自由曲面网格曲面；固定装置用于将自由网格曲面固化，使自由网格曲面失去运动自由度而保持稳定状态。
2.根据权利要求1所述的用于实现自由曲面的完全折叠结构，其特征在于，每个剪铰式杆件单元包括四个平面剪铰式单元，分别为第一平面剪铰式单元(A)、第二平面剪铰式单元(B)、第三平面剪铰式单元(C)和第四平面剪铰式单元(D);且第一平面剪铰式单元(A)、第二平面剪铰式单元(B)、第三平面剪铰式单元(C)和第四平面剪铰式单元(D)正交交汇于一处； 每个平面剪铰式单元由两个杆件组成，通过销轴连接两个杆件的中点，两个杆件可绕该点在平面内转动，称该点为销轴节点； 第一平面剪铰式单元(A)所包含的两个杆件长度分别是2Xl，2yi，第二平面剪铰式单元(B)所包含的两个杆件长度分别是2x2，2y2，第三平面剪铰式单元(C)所包含的两个杆件长度分别是2x3，2y3，第四平面剪铰式单元(D)所包含的两个杆件长度分别是2x4，2y4，其满足如下几何关系:
xi+y i_x2+y2_x3+y 3_x4+y 4。
3.根据权利要求2所述的用于实现自由曲面的完全折叠结构，其特征在于，第一平面剪铰式单元(A)、第二平 面剪铰式单元(B)、第三平面剪铰式单元(C)和第四平面剪铰式单元(D)正交交汇处设有上弦连接节点和下弦连接节点两个连接节点，每个连接节点上设有孔槽，该孔槽的宽度与第一平面剪铰式单元(A)、第二平面剪铰式单元(B)、第三平面剪铰式单元(C)和第四平面剪铰式单元(D)中包含的杆件外径相同。
4.根据权利要求2所述的用于实现自由曲面的完全折叠结构，其特征在于，固定装置为竖向腹杆，竖向腹杆的两端分别与剪铰式单元上下弦节点连接固定，且竖向腹杆长度可自由调节。
【文档编号】E04B1/58GK203701274SQ201420016050
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】陆金钰, 解文静, 陆帅, 孙跃, 沈凯, 李娜, 王卉 申请人:东南大学