专利名称：六边四面体桁架结构及方法
本申请是现发明人迪克·魏瑟1988年11月2日提交的美国待批专利申请第266386号的增补专利。
本发明涉及一种蜂房型桁架结构。
许多已知的蜂房结构可以用作支撑墙壁、建筑物的顶棚及屋顶。例如，1972年2月15日授予菲格的美国专利3，642，566和1972年2月29日授予菲格的美国专利3，645，833揭示了一种由四面体形单元构成的桁架结构。1974年11月19日授予蔡特林的美国专利3，849，237和1975年9月23日授予蔡特林的美国专利3，906，571，公开了一种具有由金属板粘结在一起构成的四面体组件的结构。还有1975年10月21日授予博格福德的美国专利3，914，486公开了一种由三个侧面的半立方体在其底部互相连接而成的结构。
1949年9月6日授予Scurlock的另一美国专利No.2481046披露了一种近似Borgford专利中的结构，其中三边半立方体采用四面体或四边锥体。
许多已有结构的主要缺点是它们很难模制，所以制造成本昂贵。另一个缺点是它们往往只能制成平面状，不易形成或弯曲成其他形状。
一种已有的较轻的桁架结构的缺点是它们不是真的牢固，受到扭转和压力时结构容易损坏。作用于这种结构的某一点的压力不能很好地分配到整个结构上，从而使结构遭到破坏。
本发明提供了一种牢固的轻型桁架结构，它可以克服已有技术的缺点，这种结构容易模制，且可以形成平面、圆形和其他曲线形状。
本发明桁架结构的另一个特征和优点是作用于结构上任意一点的压力可以分配到整个结构上从而增加了结构的强度。
本发明的另一个特征和优点是用于制造具有实心壁的结构的模具可以容易地和廉价地由六边形棒材制成。
本发明的这些和其他一些特征和优点可以通过一种轻的、新颖的和独特的高强度桁架结构来实现，该桁架结构具有一由许多相互连接的具有实心壁的空腔组成的芯体，每个空腔有一六边形的底面。芯体的上部及下部外表面有许多相互连接成蜂房状的六边形底面。芯体中的每个空腔具有一独特的六边四面体形，其中，一六边形底面及其侧壁与三边四面体或金字塔形(锥形体)的底面与边壁合为一体。六边四面体空腔有三个平行四边形侧壁。每个平行四边形侧壁的一个顶点与其他两个平行四边形的相应的顶点相交(重合)形成四面体的顶点。每个平行四边形另一个与其相对的顶点与六边形底面的六个顶点之一相交(重合)。六边四面体空腔的其他六个侧面也可以选用直角三角形，它们成对安排且具有一公共的第一三角形边。每个三角形的第二三角形边也就是六边形底面的一边。每个三角形的第三三角形边也就是平行四边形侧壁的一边。
空腔壁可以是实心的，也可以是由一系列平行四边形支撑形成，以得到一重量更轻的结构。还可以再加上水平支撑以进一步增加强度。
芯体可以是圆形的、平面形的或曲线形的。芯体的上下蜂房阵列表面可以用覆盖层覆盖以形成实心平板。带覆盖层的结构适用于任何需要轻质、高强度和抗压性能的应用场合，包括飞行器、船壳(身)、火箭外壳及真空室。
本桁架结构的一个主要优点是它可以模制。为了制造带有实心空腔壁的结构，两个相对的平板被互相靠近，每块板上有一系列互相毗邻的模具从其表面伸出。每一模具具有一与上述六边四面体空腔相对应的六边四面体形状。模具的六边形底面固定在平板上。每块板上的六边四面体模具的顶点被互相移近且对准相对的平板上的模具间的互补的空腔。芯体材料，诸如融熔的塑性材料，在两块平板的相对的模具间流动，以形成带有实心壁的桁架结构。然后，可以在芯体的上下蜂房表面加上覆盖层。
为了制造由平行四边形支撑形成的中空的平行四边形侧壁来替代实心空腔壁的平行四边形侧壁的桁架结构，可使相对的模具的相对侧面彼此互相接触。然而，模具的棱边被铣掉，使融熔的塑性材料得以在相邻的相对模具间流动进入棱边的被铣掉的部分所留下的空间。在实心空腔壁实施例中，三个平表面本来要相交的每一位置处都形成了平行四边形支撑。通过在三个平行四边形侧壁上开水平凹槽-除了模具阵列周边上的模具的外壁上以外-水平支撑可以形成且它们连接每个平行四边形壁上两个相对且相距最近的平行四边形顶点。塑性材料流入槽中而形成水平支撑。具有水平支撑的结构特别牢固，因为水平和平行四边形支撑相交而形成十二点的中心(毂)，支撑从毂(中心点)径向地向十二个方向伸展。十二点中心毂结构提供了最大的稳定性，保证作用于结构任一部分的荷载被分配到整个桁架结构上。
本发明的实心空腔实施例还可以用金属冲压而成，因为每个空腔的整个表面区域与它的外表面区域是相同的，在空腔内部没有另外的表面区域。
所述结构可通过截去四面体的顶点和/或使之中而获得改良。
上面提过的美国Borgford和Scurlock专利披露的芯体结构，在没有附加覆盖层时是相当软的。这两个专利都叙述通过附加连接四面体或锥体顶点的内外覆盖层而使结构抗弯。根据本发明的另一实施例，彼露于Borgford、Scurlock专利中的基础结构通过以垂直支撑壁替代外部覆盖层而得以改进，该支撑壁使结构刚度、抗弯性大大提高，同时体积重量大大减小。更具体言之，此目的的实现通过以垂直延伸支撑壁代替本发明实芯体实施例中的垂直延伸六边形基底而实现，该垂直延伸支撑壁至少部分连接相邻四面体顶点和/或基底顶点。这种构型使结构刚度好，厚度小，无需附加外部覆盖层。
通过下面参照附图对较佳实施例的详细描述，本发明的这些或其他特征及优点对熟悉本技术领域的技术人员将更为明显。
图1为本发明具有实心平面侧壁桁架结构的第一实施例的局部透视图;
图2为本桁架结构第一实施例的局部俯视图;
图3为沿图23-3线剖切的桁架结构的侧视图;
图4为用于制造本发明桁架结构第一实施例的上部及下部模具阵列侧视图;
图5为沿图45-5线剖切的上部模具阵列俯视图;
图6为用于制造本发明桁架结构第一实施例的单个模具的示意图;
图7为图6所示模具的侧视图，显示了一个平行四边形面和两个三角形壁;
图8为图6所示模具的第二侧视图，显示了两个平行四边形壁和两个三角形壁;
图9为图6所示模具的仰视图，显示了六边形的底面;
图10为图6所示模具的俯视图，在图中心处，显示了锥的顶点;
图11为本发明第二实施例的模具的示意图，该模具具有用于制造平行四边形支撑的平行四边形铣过的棱边;
图12为图11所示模具的侧视图，显示了一平行四边形壁和两个三角形壁;
图13为图11所示的模具的第二侧视图，显示了两个平行四边形壁和两个三角形壁，还有可选择采用的铣过的三角形棱边39;
图14为图13所示模具的仰视图，显示了具有铣过的顶点的六边形底面;
图15为图11所示的模具的俯视图，在图的中心处有锥顶。
图16为本发明第三实施例的模具的示意图，模具具有用于制成平行四边形和水平支撑的平行四边形铣过的棱边和水平槽;
图17为图16所示模具沿线17-17的侧视图;
图18为图16所示模具的底面的仰视图，显示了六边形底面;
图19为图16所示的模具的俯视图，在图中心处有铣过的顶点。
图20为图16所示的模具的俯视图，图中去掉了水平支撑;
图21为具有实心平面侧壁以及平行四边形和水平支撑的桁架结构第四实施例的局部透视图;
图22显示了用以形成平行四边形支撑的三条铣过的棱边的交点;
图23为一较佳形状的平行四边形支撑的截面图;
图24为两个平行四边形支撑的交汇点的俯视图，一个平行四边形支撑具有如图23所示的形状且由下部模具阵列制成，另一个平行四边形支撑是利用具有相同形状但旋转了180°的上部模具阵列制成;
图25A到25D是其他形状的平行四边形支撑的截面图;
图26示出了用以形成水平支撑的两个有槽侧面的交汇处;
图27为水平支撑较佳形状的截面图;
图28A示出了具有由平行四边形支撑形成的中空平行四边形壁的芯体结构;图28B是加上了三角支撑后的图28A的芯体结构;
图29A到29D示出上部和下部模具阵列放到一起制造以上任何一种实施例的芯体结构的顺序;
图30为用于制造桁架结构芯体的支架组件的侧视图。
图31是构成本发明另一实施例结构基础的已知结构平面图;
图32是图31沿32-32线的剖视图;
图33是图31、32结构的理想化平面图，表示借此限定的四面体空腔;
图34是表示基于图31-33已知结构基础上的本发明一实施例平面图;
图35类似图34但表示一结构变化形式;
图36也类似图34但表示另一结构变化形式;
图37是表示图34-36所有实施例的组合结构平面图;
图38是表示图35、36实施例的部分组合结构平面图;
图39是表示图38实施例背面的平视图;
图40是图39沿40-40线的截面图;
图41是图38-40实施例的立体图;
图42是用于制作图38-41结构的模具立体图;
图43是本发明另一实施例的平面图，对应图38-41的实施例，其中的结构顶点已被截去和挖空。
图44是图43沿44-44线的截面图;
图45是表示构成图43、44结构的模具立体图;
图46是表示图43、44实施例的一结构变化形式之平面图。
图1为本发明桁架结构的第一实施例的局部透视图。在图1中，桁架结构10包括一系列相邻的以蜂房形状排列的空腔12，每一空腔的周围由若干实心的平面侧壁13围住，这些侧壁13将在下面进一步讨论。蜂房形空腔由上覆盖层14和下覆盖层16覆盖，以形成实心平面结构10。覆盖层14和16粘结在蜂房结构的上下表面上以形成实心平表面。包括相邻空腔12的芯体可以用于许多抗压性能和轻质高强度的应用场合，包括船壳、飞行器和真空室。图1所示的芯体弯曲不能太大。
图2和图3所示也是图1所示的结构10的第一实施例。图2为结构的局部俯视图，展示了结构芯体的蜂房上表面，其中，空腔12的六边形底面互相连接以形成芯体的上表面。图3为图2沿线3-3剖切的结构10的侧剖视图。侧壁13围成了空腔12，空腔上面则被上覆盖层14和下覆盖层16所覆盖。
芯体包括许多相邻的六边四面体空腔，它们排列成蜂房形以形成上下表面。每个空腔基本上是一个四面体，具有四面体的棱边，四面体位于六边形基底的顶部，且和六边形基体合为一体，六边形基底具有六个顶点和六条底边。四面体的锥顶与空腔的顶点重合。空腔具有三个平行四边形的侧壁和六个可选择采用的三角形侧壁。每个平行四边形壁有四个平行四边形顶点和四条平行四边形边。每个三角形有三个三角形顶点和三条三角形边。
如果不用三角形壁则芯体便于弯曲。而且，这样的芯体可以用象铝这样的金属冲压而成。这样的空腔的底面将有三个底面顶点和三个底面棱边。
每个平行四边形空腔壁都有一个平行四边形顶点与空腔顶点相交(重合)，所以，三个平行四边形顶点构成空腔顶点。每个平行四边形壁相对的平行四边形顶点则与六边形底面的一个顶点相交。
可选择采用的六个三角形壁成对地安排在相邻的平行四边形壁之间。每对三角形壁具有第一公共三角形边。每个三角形有一条第二三角形边也就是一条底边，每个三角形的第三三角形边也就是一条平行四边形边。
空腔的形状基本上与六边四面体模具壁的形状相同，该模具将在下面结合其中示出具有三角形壁的芯体结构的图6进行讨论。
覆盖层可以在芯体形成后覆盖在芯体的上下蜂房表面。
参见图4，结构10最好通过模制或冲压形成，在形成过程中，上板18上的相邻六边四面体模具22对准且移近下板20上的相似的下部模具22。如果采用模制过程，融熔的塑性流体在上下模具之间的空间流动，以形成结构的芯体。如果该结构由金属冲压而成，则将一块金属置于下部模具22上，通过上板18上的模具22向下压而成形。上板18上的模具22的俯视图如图5所示。
在制作没有三角形壁的实心平面壁芯体时，在同一平板上相邻的模具22彼此互相接触，没有塑性流体在它们之间流动。塑性流体仅在不同平板上的模具间流动。
本结构用一系列基本上相同的具有单一形状的模具22制成。每个模具具有一六边四面体形状，其中一个四面体(三棱锥)与一六边形基底及其侧壁合为一体。图6到图10是该模具的各种视图。图6中，模具22包括一具有顶点30及平行四边形壁26的四面体。六边形基底24及其六个三角形侧壁28与四面体及其四个平行四边形壁26合为一体，形成了六边四面体形状。四面体的顶点与模具的顶点重合。顶点位于模具基底的相对端。
如图6所示，模具22有三个平行四边形壁26，每个都具有四条平行四边形边27和四个平行四边形顶点29、30、31和33。每个平行四边形壁的顶点30与锥顶相交(重合)。相对的平行四边形顶点29与六边形底面24的顶点相交(重合)。
模具22还具有六个三角形壁28，它们被成对排列。每个三角形壁28有三条三角形边25、27和35，每对壁28具有一公共的第一三角边25。每个三角形壁28具有一第二三角形边35，也就是底边，还具有一第三三角形边27，也就是平行四边形边。
顶角γ最好是60°，以便使六边四面体模具的顶部是一规则的四面体。然而，顶角γ可以在0°至120°之间变化。模具所有的其他角由顶角的选择而决定，模具的体积以及由此形成的桁架结构的体积由模具顶点与基底的距离及模具的顶角来决定。
图7和图8是如图6所示的模具的两个不同的侧视图。图7所示的侧视图显示了一个平行四边形壁26和两个直角三角形壁28。图8所示的第二侧视图采用了一个不同的角度，显示了两个平行四边形壁26和两个直角三角形壁28。图9是模具22的仰视图，显示了六边形基底。图10是模具22的俯视图，展示了三个平行四边形壁26在顶点30的单一点上的交汇。
模具22可以由一件六边形棒材制成，在棒材上切出三个截面，以形成平行四边形边壁26。截面切割使得平行四边形侧壁在顶点30处交汇。
如果不用实心平面侧壁，本发明桁架结构也可以用平行四边形支撑来形成中空的平行四边形壁，从而制造更为轻质的结构。平行四边形支撑通过铣掉如图6到图10所示的六边四面体模具的平行四边形边缘来形成，以便在模制过程中三个模具汇合时相邻的边之间有空间形成。融熔的塑性流体流经三个被铣掉的平行四边形边缘的交汇处所形成的空隙，而形成平行四边形支撑。虽然具有平行四边形支撑的第二实施例比上面描述的具有实心平面壁的第一实施例更轻，但支撑实施例较难于模制。而且实心平面壁芯体比由支撑形成的芯体牢固。
图28A图示了本发明具有由相邻空腔形成上下阵列表面的芯体。每个空腔具有三个由平行四边形支撑63和可选择采用的水平支撑64形成的中空的侧壁。每个空腔有一锥顶67，位于空腔的与基底相反的一端。空腔是一与基底合为一体的四面体，基底具有至少三个底面顶点69，使得由平行四边形支撑63形成的三个中空壁是平行四边形。每个平行四边形壁有四个平行四边形顶点，且每个平行四行壁的第一平行四边形顶点与锥顶67相交(重合)。每个平行四边形的相对的第二平行四边形顶点与基底顶点69重合。可选择采用水平支撑64与平行四边形支撑63一起形成一十二点中心毂71以加强强度。水平支撑64与每个平行四边形的相对的平行四边形第三和第四顶点相连。
图28B示出了图28A的芯体，不同的是加上了三角形支撑65。三角形支撑是供选用的，但如果使用它们，就形成了一个具有六个基底顶点的六边形基底。相邻的基底顶点可以由基底支撑(未画出)来连接。若上述第一三角形边被铣掉，三角形支撑65就形成了。
如果采用三角形支撑65，空腔中就多了六个中空三角形壁，每个三角形壁由两个三角形支撑和一基底顶点形成。这六个三角形壁成对排列，每对有一公共第一三角形支撑65，每个三角形壁的第二三角形支撑同时也是一平行四边形支撑。
图11到图15展示了用于制造具有平行四边形支撑的桁架结构的第二实施例的六边四面体模具的不同的视图。图11中模具32的示意图展示了在平行四边形壁42和直角三角形壁44之间形成的铣边38(铣过的棱边38)。图12和13为图11所示模具的两种不同侧视图。侧视图12展示了一平行四边形壁42，其平行四边形铣边38与直角三角形壁44相交。模具锥顶40也是铣过的。第二侧视13展示了两个平形四边行壁42和两个直角三角形壁44。所述壁在平行四边形铣边38处相交。
图14和图15分别图示了模具32的仰视和俯视图。图14中，六边形底面34具有用来形成可供选择采用的三角形支撑的铣过的顶点36。俯视图15图示了三个平行四边形壁42在锥顶40相交。
在图11到图15中所示的第二支撑实施例可稍加改变即再加上水平支撑来加强强度。用以形成具有平行四边形和水平支撑的第三实施例的模具在图16到图20中示出。在图16中，模具46具有平行四边形支撑54和水平支撑58。水平支撑58横过平行四边形壁52以便每个水平支撑58联接平行四边形壁52的两个相对的顶点。除了那些用于形成每一模块的模具阵列的周边的平行四边形侧壁以外，所有的模具的平行四边形侧壁都具有水平支撑。周边的平行四边形侧壁保持平坦，以便由两个相邻的模块形成的芯体可以互相粘结在一起。水平支撑通过在平行四边形侧壁上形成的水平凹槽来形成。
水平和平行四边形支撑的使用在两个具有铣边和水平凹槽的相邻模具互相邻近时形成一个十二点中心毂59。塑性流体从这个十二点中心毂径向地向十二个方向流动，从而形成了在中心毂相交的十二根平行四边形和水平支撑。十二点中心毂的采用达到了最优的强度，并且分配作用在结构之上的任何压力以增加结构的耐久性和抗压性能。
图17是图16所示的模具的侧视示意图。在图17中，平行四边形支撑54形成了三角形壁50之间及三角形壁50与平行四边形壁52之间的边界。模具的锥顶56被铣过，以形成支撑。图18为模具46的仰视图，显示了六边形底面48。
图19和20为在图中央带有铣过的锥顶56的模具的俯视图。图19不同于图20，图19中有水平支撑58，而图20中没有。从图19可清楚地看出，当一个力施加于锥顶56或基底48时，水平支撑58将显著地增加结构的抗压强度。
图21为具有实心平面侧壁60、平行四边形支撑62和水平支撑64的桁架结构第四实施例的局部透视图。图21所示结构由于结合了实心侧壁、平行四边形支撑及水平支撑而具有最大的强度。但它的重量比本发明的其他实施例重。
每个平行四边形支撑由三条来自三个不同模具的平行四边形边相交而形成。模具之一来自一个模具阵列，另两个来自另一个模具阵列。平行四边形支撑的横截面必须选择得在融熔的塑性流体形成支撑后，包含模具阵列的模具能够分开。图22图示了三个模具68、70和72，这些模具具有平行四边形铣边，当三根铣边相交时，这些平行四边形铣边形成了平行四边形支撑74。在图22中，模具68来自一个模具阵列，模具70和72来自其他模具阵列。为了便于模具的分开，角β必须选择得小于120°，角α一般应小于或等于90°。如果模具底面是规则六边形，角β应是120°。如果角α大于90°，各模具可以分开，但芯体将粘在一个模具中。
图23图示了平行四边形支撑的较佳截面形状。图23中，平行四边形支撑76有两个圆角，两个90°角。如果支撑76为圆形，α小于90°这条将达不到，模具将不易分开。
图24显示了一个平行四边形支撑与另一个平行四边形支撑在平行四边形顶点相交的俯视图。一上部平行四边形支撑78由两个上部模具和一个下部模具相遇而形成。一下部平行四边形支撑80由两个下部模具及一个上部模具相遇而形成。支撑78和80互相连接，它们具有相同的横截面，但支撑78相对于支撑80旋转了180°。
图25A到25D图示了平行四边形支撑的一些可供选择采用的横截面。例如图25C所示的支撑形状比图23所示的形状难以制作，因为图23所示的设计中只要铣两个圆角。支撑的长度、直径、形状和树脂材料可以根据不同的应用的强度需要而变化。
象平行四边形支撑的设计一样，水平支撑的横截面形状也必须选择得使上下模具可以容易地分开。图26中，两个模具90和92具有用来形成一水平支撑的水平凹槽。
图27展示了一水平支撑94的较佳横截面形状。水平支撑94由两个模具在线96处相遇而形成。两个模具的表面都被刻槽以形成支撑94。
本发明桁架结构芯体的一个基本优点是它可以容易地模制或用金属冲压。在以上任何一种工艺过程中，一系列相邻的六边四面体模具被设置在一平板上，基底与平板接触，以形成一模具阵列。这个模具阵然后对准并移近相对的但是相似的模具阵列，以形成桁架结构。芯体材料被置于相对的模具阵列之间以形成芯体。
图29A到图29D示出了一个上部模具阵列102靠近下部模具阵列104以形成桁架结构芯体的顺序。在图29A到29C中，上部模具106的锥顶103被定位靠近且对准以插入下部模具107之间的空腔。同样地下部模具107的锥顶105被定位靠近且对准以插入上部模具106之间的空腔。如果融熔的塑性流体用来作为芯体材料，它将被注入模具106与107之间的留下的空间，以形成桁架结构的芯体。
如图29A到29D所示的模具阵列可以将分别从六边形棒材上切下来的各模具固定在一个阵列板上而成。模具阵列也可以用电子放电(火花)切割机从单个金属块制成。无论模具是由电子放电切割机还是分别制做的，每个模具都具有相同的形状。桁架结构芯体可以用金属由开口模制或冲压而成，因为芯体中的每个空腔整个表面区域与它的外表面区域相等;在桁架结构空腔的内部没有另外的表面区域。结构可以由任何可模制或可挤压的塑性材料制成。为制造曲线形的结构，可先制做一平面芯体，然后在覆盖上下覆盖层之前简单地弯成所需形状就可以。
图30图示了一用于模制具有中空壁的桁架结构的支架组件。支架组件由一包括相邻模具阵列的上模112的上模组件108组成，所述相邻模具的六边形基底与一上部平板相连。支架组件还具有一包括相邻、相对模具阵列的下模114的下部模组件110，所述相邻、相对模具的六边形基底与一下部平板相连。上下板上的模具都具有平行四边形铣边，以允许塑性流体在平行四边形之间流动，从而形成平行四边形支撑。模具还具有第一三角形铣边和水平凹槽，以各自形成第一三角形支撑和水平支撑。
上模组件108还包括一滑动板120，用以分配塑性流体进入正确的位置。滑动板120具有一垂直注射孔116，以便在桁架结构中形成十二点中心毂。融熔的塑性流体通过注射孔116到达十二点中心毂118，在那里，它被向十二个方向分布以形成具有平行四边形和水平支撑的结构。
制造具有实心平面壁的芯体的实施例时，使用没有铣边的模具。融熔的塑性流体流过下模114，通过定位上模组件108和上模112而形成正确的形状。为了用金属冲压，将一块金属板置于下模114上，通过向上模108施加向下的压力来形成正确的形状。
在芯体模制好以后，脱模板122从上模拉掉垂直塑性材料柱，这些塑性材料柱是由于通过注射孔116注入塑性材料而形成的。一弹性组件124将上模112与下模114以一适当的顺序分离。然后顶针126在模分开后通过撞顶位于下部蜂房阵列表面的芯体的顶点而将芯体顶出支架。
现参见图31-33，构成本发明另一实施例基础的已有技术结构(Borglord及Scurlock的专利)以简单的形式表示。一基础结构200包括有一绕中央平面204形成的连续表面202，该表面202包括三个带顶点(角顶apex)206a的中空四面体206，顶点206a位于中央平面204的第一侧面208(延伸出图31所示的图面)，而底边206b过中央平面204。底边206b与基底顶点(vertex)206c相交，顶点206a及底边206b限定侧面206d。
表面202还包括三个带顶210a的中空四面体210，顶点210a位于中央平面204的第二侧面212(延伸入图31所示的低面)，且底边210b过中央平面204。底边210b与基底顶点210c相交，顶点210a和底边210b限定侧面210d。
各四面体彼此相连，从而相邻四面体206和210的底边206b、210b，基底顶点206c和210c彼此分别重合。其它的四面体206、210的顶点206a、210a分别位于中央平面的第一、第二相对侧面208，212上。顶点206a限定第一侧面208上的第一平面218，同时，四面体210的角顶210b限定第二侧面212上的第二平面220。
每对侧面206d、210d共用一公共底边206b、210b，构成一平面平行四边形侧面或壁体，对应图11-15所示的模具33的壁体42。六个基底顶点206c、210c相交汇的每一处构成一中心毂222，对应图21所示的中心毂66。结构200和上述实心壁体实施例的主要区别是，结构200不提供如图21中标号60所示的平面实心侧壁，值得一提的是，实心侧壁60垂直延伸至结构的中央平面。
每一四面体206，连同具有与所述四面体206公共底边206b、带底边210b的三个相邻四面体210的三个相邻侧面210d一道构成一六边四面体状空腔相应图1、2所示的空腔12。结构200有6个这样的空腔，其中三个在第一侧面208敞开，三个在第二侧面212上敞开。如图33所示一样，在第一侧面208有顶点206a并朝第二侧面212敞开的空腔以标号214表示，在第二侧面212带顶点210a并朝第一侧面208敞开的空腔以信号216表示。图31还表示了四面体的延伸侧面206d′、210d′，它在图31-33中没有完全表示出来，此侧面补充到结构200中以限定六个完整的空腔。然而可以理解，本发明的一个四面体结构可以包括任何数量的空腔或它们的局部。
结合图1-30°描述的实芯体和支撑(杆)结构(不附带处覆盖层14、16)是较柔软的，而支撑杆结构比实心结构更柔软得多，这些结构借助增加覆盖层而可抗弯，覆盖层将四面体的顶点相连接。基于结构200的本发明实施例以垂直支撑壁替代覆盖层，大大增加结构的刚度和抗弯性，同时大大减小重量和体积。
如图31-33所示的已知结构200是相当柔软的，因为顶点206a、210a除四面体206、210的侧面206d、210d外设有借助任何装置相连。本发明结构200增加了作用如工字梁的垂直壁体，和覆盖层相比以较小重量的增加而大大提高了结构的刚度。
带有垂直支撑壁的本发明之第一实施例如图34所示。一结构230包括有任何所需数量的其它四面体，限定六边四面体空腔，空腔具有位于结构230相对侧面的顶点232和234，其状态如图31-33所示。所述的四面体限定一连续表面，它与具有实心侧面，由支撑杆限定的中空侧面或如上所述的实心侧面及支撑杆之组合。结构230还包括有将顶点232相连的垂直支撑壁236，更具体地说，壁体236垂直延伸至结构230的中央平面。
壁体236和图所示可完全将相邻顶点232相连，或仅在它们之间局部延伸。壁体236最好从顶点232限定的平面开始并朝顶点234限定的平面延伸，壁体可终止于限定连续表面的下方四面体侧面。本发明还建议将壁体236在由顶点234、四面体侧面限定的平面之间延伸或完全在顶点232、234的平面之间延伸。也可以将壁体236仅仅从四面体侧面部分地延伸至朝内与顶点232、234的任一平面有一间隔的位置。还有另一种选择是将壁体236完全在结构230的一个侧面上的顶点232之间延伸，同时仅在结构的另一侧面上的相同顶点232之间部分延伸。
图35表示本发明的另一结构240，其包括将与顶点232相对的结构240侧面上的顶点234相连之垂直壁体242，所有涉及结构230描述的组合均适用于结构240。
图36表示另一结构250，它包括将中心毂254相连的垂直壁体252，此中心毂相应于图31-33所示的中心毂222。壁体252可以以上面涉及结构230的所有描述的组合运用于结构250的一或两个侧面并可在相邻中心毂254之间完全或部分延伸。
图37表示一包括所有分别在图34-36表示的壁体236、242和252之结构260，所述壁体236、242和252可以以上述任何组合方式、任何形式提供于结构260的一或两个侧面上，并可在相邻顶点或中心毂之间全部或部分延伸。此外，结构260的外边棱可制成终止于垂直壁体262中(对应图21所示的平面侧壁60)。
壁体236、242由垂直延伸至结构的中央平面的平面限定，并分别穿过连接点232、234的直线。壁体252由穿过连接中心毂254的直线之平面限定。还应注意到限定壁体252的平面穿过限定中央平面204的底边206b、210b。
图38-41表示根据本发明提供的垂直支撑壁体的一个较佳实施例。一结构270包括将相邻顶点232(如图34中结构230)连接的垂直支撑壁体236，该壁体236从顶点232的平面延伸至由下方四面体侧面限定的表面。围绕每一中心毂254的三个壁体236限定一封闭的三角形272。
结构270还包括由连接顶点234(如图35中的实施例)的直线限定的垂直支撑壁体242′。然而，壁体242′也和壁体236一样设在结构270的同一侧面上(从顶点232的平面延伸至下方四面体的侧面)。此外，壁体242′仅在三角形272中相连壁体236之间延伸。
如图39所示，结构270的相对面大体呈图38所示侧面的镜中映象，它包括连接相邻顶点234(如图35中结构240)的垂直支撑壁体242。壁体242从顶点234的平面延伸至下方四面体的侧面。围绕每一中心毂254的三个壁体242限定一封闭三角形274。
结构270的相对侧面还包括由连接顶点232(如图34的实施例)的直线限定的垂直支撑壁236′。然而，该壁体236′和壁体242一样设于结构270的同一侧面上(从顶点234的平面延伸至下方的四面体侧面)。此外，壁体236′仅在三角形274中相连壁体242间延伸。
由于垂直在支撑壁使结构刚度大大增加，从而本发明结构如图34-41所示可比图1-33所示结构制得薄一些，且在无需增加外覆盖层的情况下结构仍具有高的抗压强度和抗弯强度。因而顶点角γ可制得很大，如110°-115°，最大允许值如前所述接近120°。
用于制作结构270的一模具300如图42所示，可以理解此模具300是按前述方式(参见图29A-30)使用的一系列模具的单个构件。该模具300与图6-10所示的模具22相似，只是六角棱柱底面302可延伸过一六边四面体端部304，后者实际上用于形成结构270的一部分。该六边四面体端部304如前所述限定结构270的一单个空腔。
此六边四面体部分304有三个相等的平侧面或平行四边形壁体306，每一平行四边形壁306有一顶点306a与六边四面体部分304的顶点重合并处于模具300的中轴线308上，一相对顶点306b位于六角底面302的一边棱上，其它两个顶点306c位于底面302的边棱，每两个顶点306b之间。该六边四面体部分304是通过三个平面切除底面302的端部而得，此三个平面过顶点306a、限定平行四边形壁体306并与轴线308，同时彼此间呈相等角度。
假定此模具300是一系列用于形成如图38所示的结构270侧面的同种模具的零部件，则模具300是通过三个槽条310而形成，该槽在相邻顶点306b之间完全延伸并形成结构270的垂直支撑壁236。槽310沿平行模具300的轴线308延伸、或换言之垂直于结构270的中央平面延伸。
所述模具300还形成有六个槽条312，该槽条沿平行轴线308延伸并限定结构270的垂直支撑壁242′。槽条312由连接六边四面体部分304的顶点306a的直线限定，此六边四面体带有六个围模300(未示出)的顶点306a，槽条312仅从槽310延伸至底面302的边缘。应注意到槽310垂直连接模具300的六角侧面的中点。
尽管构成本发明最佳实施例的模具300表示为仅由对应壁体236、242′的槽形成，但本发明并不因此受限。另外，本发明的模具300具有用于形成如前所述任何方式的完全或部分壁体236、242和252的槽条。
图43、44表示一建立于图38-41实施例基础之上的改良结构320，其中四面体的顶点被截去或挖空。在各实施例中截去和/或挖空顶点一般均属本发明范围。
结构320可由四面体的另一类型构成，该四面体如前所述具有分别位于结构320中央平面的相对侧面上的点322，324上的顶点，该四面体被截去或挖空以形成由结构320的表面326之边棱322b、324b限定的中空顶点322a、324a。
根据本发明，垂直支撑壁328，在限定边棱322b的表面326的三角形部分间延伸。壁体328过连接顶点位置324的直线。此外，垂直支撑壁体330在限定边棱324b的表面326的三角形部分之间延伸，壁体330过连接顶点位置322的直线。壁体328、330可以按需要穿过结构320的厚度完全或部分延伸。
结构320可构成为一平板，以与相似的平板组合提供一更大的单元或壁体。图43表示垂直侧壁327，它提供一围绕结构320的边缘并可作粘结剂等安装到相邻结构上。图中还表示垂直壁体329，其对应于图21所示的平面侧壁60，并可借助以上述方式用来制作结构的模具间的空隙而组合到结构320中。
一用于制作结构320模具400在图45中示出，此模具400具有一相似于图42所示模具300的基本形状，只是其端部被截去而形成一三角形402。模具400的底部也从端部截去一等于高度的数量。垂直槽404形成于连接其底面顶点406的模具400中。槽404和顶点406分别对应模具300的槽310和底面顶点306b。
一改良结构320在图46中以标号420表示，图中相似构件以相同标号表示。除了支撑壁328和330外，结构420包括垂直支撑壁422，其过连接顶点位322的直线;和垂直支撑壁424，其过连接顶点位324的直线。应注意到六个壁体422从每一顶点位322径向伸展，六个壁体422从每一顶点位324径向伸展。
壁体328、330、422及424可穿过结构的厚度完全延伸，另外，它们也可仅部分延伸。在结构420的一较佳实施例中，壁体328、422从一则边棱322b限定的平面延伸，部分穿过结构420直至一边棱324b限于平面内之与有一间隔的位置。同样，壁体330、424从边棱324b限定的平面延伸，部分穿过结构420直至一边棱322b限定平面内，与之有一间隔的位置。此造型可适用于图34-46的任何实施例，使每一模具能制出一结构件。图46还表示出对应图43壁体329的垂直壁体429。
上面虽然详细描述和图示了本发明的多个实施例，但本技术领域的技术人员可以从中引伸种种修改变的和其他种种改变的实施例。这种种修改和改变都仍在本发明的精神实质的范围以内，因此本发明不受上述实施例的限制，本发明的保护范围将如下列权项所述。
权利要求
1.一种结构，包括若干基底边棱彼此相连的中空四面体，四面体的角顶232、234分别位于结构中央平面的第一和第二相对侧面，其特征是支撑壁装置236、242垂直延伸至中央平面并将四面体相互结构连接。
2.如权利要求1所述的结构，其特征是四面体包括实心侧壁。
3.如权利要求1所述的结构，其特征是所述四面体包括有连接角顶232、234及基底角顶254的支撑。
4.如权利要求1所述的结构，其特征是支撑壁装置236、242′包括第一壁体236，它连接第一侧面上的角顶232，并大体从由第一侧面上的角顶232限定的平面延伸至下方四面体的侧面;所述第一壁体236限定围绕四面体底边交叉点的第一三角形272;第二壁体242′，它由过连接第二侧面上角顶234的直线之平面所限定，并大体从由第一侧面上的角顶232所限定的平面延伸至下方四面体的侧面;所述第二壁体242′在所述三角形272中的交叉第一壁体236之间延伸。
5.如权利要求4所述的结构，其特征是还包括第三壁体242，它连接第二侧面上的角顶234，并大体从由第二侧面上角顶234限定的一平面延伸至下方四面体的侧面;所述第三壁体242限定第二三角形274，后者围绕四面体底边的交叉点254;第四壁体236′，它由过第一侧面上角顶232连接直线的平面限定;所述第四壁体236′大体从第二侧面上的角顶234限定的平面延伸至下方四面体的侧面;第四壁体236′在第二三角形274中交叉的第三壁体之间延伸。
6.一种模具300，其特征是包括一六边形基底302切去以形成的六边四面体端部304，后者由一四面体连同三个相同的平行四边形侧面306限定，每一平行四边形侧面306的顶点306a与所述四面体的角顶重合，每个平行四边形侧面306的其它三个顶点306b、306c位于所述底面302的各自六角边棱上;所述模具300形成有槽条装置310，其延伸入垂直底面302轴线308的端部304。
7.如权利要求6所述的模具，其特征是所述槽条装置包括第一槽条310，它连接四面体角顶306a对面的平行四边形侧面306之顶点306b;第二槽条312，它从第一槽条310延伸底面302侧面的中点。
8.一种结构，包括若干具有实心侧面且底面边棱彼此相连的中空四面体，另一四面体的角顶232、234分别位于结构中央平面的第一和第二相对侧面上，其特征是包括大体在由第一、第二侧面上的角顶232、234限定的诸平面间垂直延伸至中央平面的支撑壁装置236、242;所述支撑壁装置236、242包括连接第一侧面上角顶232的第一壁体236;连接第二侧面上角顶234的第二壁体242。
9.如权利要求8所述的结构，其特征是所述支撑壁装置236、242、252还包括穿过底边的第三壁体252。
10.一种结构制造方法，其特征是包括形成若干个第一和第二模具22，每一模具22包括若干壁体;一模具角顶30;一具有四面体边棱和一与模具角顶30重合的四面体角顶30之四面体;一六边形基底24，它具有六个底面顶点29且位于模具角顶30的相对端，基底24与四边形合为一体，从而模具22的三个壁体26成为平行四边形，具有四个平行四边形边棱27和四个平行四边形顶点29、30、31、33，每一平行四边形壁体26的第一平行四边形顶点30贯穿四边形的角顶30，而对面的每一平行四边形的第二平行四边形顶点29贯穿基底顶点29;由若干第一模具22制作一上排模具22，它具有介于相邻模具间的空腔，且六边形模具基底24固定在一上板18上;由若干第二模具22制作一下排模具22，它具有介于相邻模具间的空腔，且六边形模具基底与一下板20固定;将上下排模具对齐，使每排的角顶30位于另一排的空腔上;在上下排模具间放入芯料10;将至少一排模具移近另一排，直至两排模具相互封闭以由芯料10形成具有上下表面的结构芯体。
11.如权利要求10所述的方法，其特征是还包括在上表面粘上一上覆盖层14;在下表面粘上一下覆盖层16。
12.一种结构制造方法，其特征是包括形成若干模具32，每一模具包括若干壁体;一模具角顶40;一具有四面体边及与模具角顶40重合的四面体角顶49之四面体;一六边形基底34，它具有六个基底顶点并位于模具角顶40的相对端，该基底34与四面体合为一体从而模具32的三个壁体42成为平行四边形，每一平行四边形具有四个平行四边形边38和四个平行四边形顶点40、59，每一平行四边行壁体42的第一平行四边形顶点40贯穿四面体的角顶40，每一平行四边形的相对的第二平行四边行顶点贯穿一基底顶点;减短平行四边形边38;由若干第一模具32制作一上排模具32，它在相邻模具间具有空腔，且六边形模具基底34与一上板108固定;由若干第二模具32制作一下排模具32，它在相邻模具间具有空腔，且六边形模具基底32与一下板110固定;将上下排模具对齐，使每排的角顶40位于另一排的空腔上;将至少一排模具向另一排移近，直至两排模具相互接触;将熔融塑料注入相邻减短边棱38之间的空间以形成一具有平行四边形支撑63的芯体。
13.如权利要求12所述的方法，其特征是还包括将一上覆盖层14粘到芯体的上面;将一下覆盖层16粘到芯体的下表面。
14.如权利要求12所述的方法，其特征是还包括在所述平行四边形壁体42中形成一凹槽58，使凹槽58将第三平行四边形顶点59与对面的第四平行四边形顶点59连通;将熔融塑料注入所述凹槽58以形成水平支撑64。
15.一种用以结构制作的模具22，具有若干壁体，包括一模具角顶30;一四面体，具有四面体边27及与模具角顶30重合的四边形角顶30;一六边形基底24，它位于模具角顶30的相对端，该基底24与四面体合为一体从而模具的三个壁体26成为平行四边行，后者具有平行四边形边，每一平行四边形壁26的第一平行四边形顶点30贯穿四面体角顶30，而每一平行四边形对面的第二平行四边形顶点29贯穿基底顶点29。
16.如权利要求15所述的模具32，其特征是所述平行四边行边28被按透视法缩小以在模制期间允许塑料在相邻边之间流动。
17.如权利要求16所述的模具，其特征是还包括有一平行四边形壁体52中的凹槽58，从而该凹槽将平行四边形壁体52中的第三平行四边形顶点与一相对的第四平行四边形顶点连通。
全文摘要
一轻质、高强度可模制结构，包括一具有许多相互连接的空腔12的芯体，每一实心壁包围的空腔12具有一六边形底面24，从而结构芯体具有上下表面。每一实心壁包围的空腔12具有一独特的六边四面体形状，其中，一规则的四面体置于一六边形基底之上，且与其合为一体。空腔壁可以是实心的，为了制得更轻质的结构，空腔壁也可以由一系列支撑63、64形成。上下表面可以由覆盖层14、16覆盖，使得本结构适用于船壳、真空室和飞行器。
文档编号B29C45/26GK1050699SQ9010747
公开日1991年4月17日 申请日期1990年9月1日 优先权日1989年9月1日
发明者迪克·奥托·魏瑟 申请人:四六股份有限公司