专利名称：径向可开启圆形板式结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种径向可开启圆形板式结构的制作方法。
背景技术：
迄今为止，世界上已有的可开启屋盖结构的类型按照屋盖开启运动方式可以分为1.水平运动开启，例如日本的Ariake Colosseum；2.刚体转动开启，例如上海旗忠网球中心；3.上下运动开启，例如蒙特利尔奥林匹克体育馆。当前研究中有一类新型的可开启屋盖结构，它运用了剪式铰的概念。剪式铰节点是一种类似于剪刀节点的铰节点，其特点在于通过剪式铰节点联结的各构件相互之间可以自由转动。西班牙工程师Pinero[1]最早将剪式铰运用到开启式建筑当中，后来Escrig和Zeigler[2]对之进行改进。美国的Hoberman[3，4]发明了简单角单元(Simple Angulated Element)，并设计了Aris Dome。
参考文献[1].Pinero，E.P.，1961.Spain Patent Number 266801. .Zeigler，T.R.，1981.Collapsible self-supporting structures and panels andhub therefore，US Patent 4,290,244. .Hoberman，C.，1990.Reversibly expandable doubly-curved truss structures.US Patent 4,942,700. .Hoberman，C.，1991.Radial expansion retraction truss structure.US Patent5,024,031.
发明内容
本发明的目的是提供一种径向可开启圆形板式结构的制作方法。
它的步骤如下1)选择开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构或开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构，并根据所选结构确定设计参数；2)设计开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构的覆板单元弧线边界类三角形覆板单元，开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构的覆板单元折线边界类三角形覆板单元，主要公式如下rmax=lsinπn·cos[(k-2)πn+ψ1+ψ22],]]>
Φ=π-(k-2)2πn-(ψ1+ψ2);]]>3)确定两种覆板单元上铰联孔位置，首先建立极坐标系，那么铰联孔中心的坐标是(ρi，θi)，(i＝1，2…k)，主要公式如下ρi=lsinπn·sin[(i-1)πn+ψ12](i=1,2···k),]]>θi=(k-i)πn+ψ22(i=1,2···k);]]>4)两种径向可开启圆形板式结构的覆板单元按照组合方式通过剪式铰联结。
开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构由n个正面朝上的弧线边界类三角形覆板单元和n个背面朝上的弧线边界类三角形覆板单元按照组合方式通过剪式铰节点联结而成，一个正面朝上的弧线边界类三角形覆板单元分别和k个背面朝上的弧线边界类三角形覆板单元相连，节点联结关系是最内圈节点对应相连，次内圈节点对应相连，依次类推，最外圈节点对应相连。
开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构由n个正面朝上的折线边界类三角形覆板单元和n个背面朝上的折线边界类三角形覆板单元按照组合方式通过剪式铰节点联结而成，一个正面朝上的折线边界类三角形覆板单元分别和k个背面朝上的折线边界类三角形覆板单元相连，节点联结关系是最内圈节点对应相连，次内圈节点对应相连，依次类推，最外圈节点对应相连。
本发明的优点是根据本制作方法制成的结构的造型优美丰富、构思巧妙、设计灵活、结构的开启率大；结构闭合时中央完全封闭，不留孔洞；开启时所有剪式铰节点均沿着各自的径向线作直线运动，所有覆板单元均同步运动，易于控制。
下面结合附图对本发明进一步说明图1(a)是本发明开启后具有梅花形开口的径向可开启圆形板式结构闭合状态示意图；图1(b)是本发明开启后具有梅花形开口的径向可开启圆形板式结构开启状态示意图；图2(a)是本发明开启后具有多边形开口的径向可开启圆形板式结构闭合状态示意图；图2(b)是本发明开启后具有多边形开口的径向可开启圆形板式结构开启状态示意图；图3(a)～(d)是本发明弧线边界类三角形覆板单元设计流程图；图3(e)是本发明弧线边界类三角形覆板单元上铰联孔位置确定图；图4(a)～(d)是本发明折线边界类三角形覆板单元设计流程图；图4(e)是本发明折线边界类三角形覆板单元上铰联孔位置确定图；图5(a)是本发明开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构正面覆板单元编号图；图5(b)是本发明开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构背面覆板单元编号图；图5(c)是本发明开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构覆板单元组合方式示意图；图5(d)是本发明开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构覆板单元组装完成图；图6(a)是本发明开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构正面覆板单元编号图；图6(b)是本发明开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构背面覆板单元编号图；图6(c)是本发明开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构覆板单元组合方式示意图；图6(d)是本发明开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构覆板单元组装完成图；图7(a)～(d)是本发明实施例1具有梅花形开口的可开启圆形板式结构覆板单元组装完成图。
具体实施例方式
一、本发明制作的径向可开启圆形板式结构描述这种可开启结构闭合时整体构形为圆形，它可以分为两大类，一类是开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构(如图1所示)，它是一种双层的结构，每一层均由n个弧线边界类三角形覆板单元按照一定的组合方式通过剪式铰节点联结而成，每一个弧线边界类三角形覆板单元均相同。结构特征是闭合时结构中央不留孔洞；开启时各覆板单元相互之间不碰撞，所有剪式铰节点均沿着各自的径向线移动，移动过程中整个结构仅具有一个自由度；开启后结构中央开口的形状是一种由多段弧线组合的一个闭合图形，将这种开口形状称为梅花形开口。另一类是开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构(如图2所示)，它是一种双层的结构，每一层均由n个折线边界类三角形覆板单元按照一定的组合方式通过剪式铰节点联结而成，每一个折线边界类三角形覆板单元均相同。结构特征是闭合时结构中央不留孔洞；开启时各覆板单元相互之间不碰撞，所有剪式铰节点均沿着各自的径向线移动，移动过程中整个结构仅具有一个自由度；开启后结构中央开口的形状是一种由多条线段组合的一个闭合多边形，将这种开口形状称为多边形开口。
二、本发明的涉及到的主要变量和公式ρi=lsinπn·sin[(i-1)πn+ψ12](i=1,2···k)---(1)]]>θi=(k-i)πn+ψ22(i=1,2···k)---(2)]]>rmax=lsinπn·cos[(k-2)πn+ψ1+ψ22]---(3)]]>Φ=π-(k-2)2πn-(ψ1+ψ2)---(4)]]>n代表可开启圆形板式结构每一层中类三角形覆板单元数目；(图1中，n＝8；图2中，n＝9)k代表单个覆板单元内包含的铰联孔数；(图1中，k＝3；图2中，k＝3)ψ1代表闭合角；ψ2代表开启角；rj代表铰联孔半径；l代表同一个覆板单元上相邻铰联孔中心的距离；R代表闭合时整个结构的半径；三、本发明的制作步骤如下(一)选择开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构或开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构，并根据所选结构的造型确定设计参数k、n、ψ1和ψ21)k的取值只有两种情况3或4，设计时尽量选取k等于3；2)n≥2k，尽量不取等号。
3)ψ1和ψ2的取值不可相差太大，尽量相等。
4)k＝3，ψ1和ψ2取值在5°～20°之间为宜；k＝4，ψ1和ψ2取值在5°～10°之间为宜。
根据选择结构的半径和剪式铰的尺寸，确定R或l以及铰联孔半径rj；R＞ρk+rj，R的取值不要过大，只要比取值下限稍大一些即可。
注意按照上述要求选取的设计参数设计出来的径向可开启圆形板式结构绝大部分是可行的。万一设计失败，另选取一组设计参数，直到设计有效为止。
(二)弧线边界类三角形覆板单元和折线边界类三角形覆板单元的设计1)弧线边界类三角形覆板单元设计步骤如图3(a)所示，建立极坐标系，以极点O作为圆弧起点，(ρ0，-θ0)为圆心，作圆弧OF，交极轴于F点。ρ0·cosθ0=l·sinΦ2,]]>注意ρ0和θ0的取值范围。
ρ0∈(l,rmax)∪(rmax,∞),θ0∈(π2-Φ2,π2-πn)∪(π2-πn,π2)(k=3)]]>ρ0∈(l,rmax),θ0∈(π2-Φ2,π2-πn)(k=4)]]>a)如图3(b)所示，以F为第二段圆弧起点，在极轴上周期性重复画相等圆弧FG。通常来说，重复画圆弧1至2次即可。
b)如图3(c)所示，将圆弧OF和FG逆时针转过 角度，再重复a、b步骤一次，画圆弧OP和PQ。
c)如图3(d)所示，以极点O为圆心，R为半径，作圆弧ST交圆弧FG于T，交圆弧PQ于S。
2)折线边界类三角形覆板单元设计步骤a)如图4(a)所示，建立极坐标系，以极点O作为圆弧起点，(ρ0，-θ0)为圆心，作圆弧OF，交极轴于F点。ρ0·cosθ0=l·sinΦ2,]]>注意ρ0和θ0的取值范围。用多段折线代替圆弧。例如图4(a)中，圆弧中点为A，用折线OAF代替圆弧OFρ0∈(l,rmax)∪(rmax,∞),θ0∈(π2-Φ2,π2-πn)∪(π2-πn,π2)(k=3)]]>ρ0∈(l,rmax),θ0∈(π2-Φ2,π2-πn)(k=4)]]>b)如图4(b)所示，以F点作为为第二段折线起点，在极轴上周期性重复画相等折线FBG。通常来说，重复画折线1至2次即可。
c)如图4(c)所示，将折线OAF和FBG逆时针转过 角度，再重复a、b步骤一次，画折线OCP和折线PDQd)如图4(d)所示，以极点O为圆心，R为半径，作圆弧ST折线FBG于T，交折线PDQ于S。
(三)确定两种覆板单元上铰联孔位置1)弧线边界类三角形覆板单元上铰联孔位置的确定如图3(e)所示，截去各圆弧的多余部分，以(ρi，θi)为圆心，rj为半径，作铰联孔，分别给铰联孔编号，以铰联孔到极点距离从小到大的顺序依次编号孔1、孔2……孔k。至此，弧线边界类三角形覆板单元的设计已经全部完成，从外形上看，它是由圆弧OF、圆弧FT、圆弧OP、圆弧PS、圆弧ST组合而成的闭合图形，中间有k个半径为rj的铰联孔。设计的关键在于铰联孔必须处在覆板单元各边界之内。
2)折线边界类三角形覆板单元上铰联孔位置的确定如图4(e)所示，截去各折线的多余部分，以(ρi，θi)为圆心，rj为半径，作铰联孔，分别给铰联孔编号，以铰联孔到极点距离从小到大的顺序依次编号孔1、孔2……孔k。至此，折线边界类三角形覆板单元的设计已经完成，从外形上看，它是由折线OAF、折线FBT、折线OCP、折线PDS、圆弧ST组合而成的闭合图形，中间有k个半径为rj的铰联孔。设计的关键在于铰联孔必须处在覆板单元各边界之内。
(四)开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构的覆板单元按照组合方式通过剪式铰联结和开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构的覆板单元按照组合方式通过剪式铰联结。
1)开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构的组合方式a)如图5(a)所示，将设计好的n个弧线边界类三角形覆板单元正面朝上，依次编号为CAF1，CAF2……CAFn。
b)如图5(b)所示，将设计好的另外n个弧线边界类三角形覆板单元背面朝上，依次编号为CAB1，CAB2……CABn。
c)如图5(c)所示，CAF1的1号点与CAB1的1号点相连，CAF1的2号点与CAB2的2号点相连，CAF1的3号点与CAB3的3号点相连，CAF1的4号点与CAB4的4号点相连(如果有4号点)；以此类推，CAFN的1号点与CABN的1号点相连，CAFN的2号点与CABx的2号点相连，CAFN的3号点与CABY的3号点相连，CAFN的4号点与CABz的4号点相连(如果有4号点)。
X=N+1,N≤n-1N+1-n,N=n]]>Y=N+2,N≤n-2N+2-n,N>n-2]]>Z=N+3,N≤n-3N+3-n,N>n-3]]>d)制作好的开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构如图5(d)所示。
2)开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构的组合方式a)如图6(a)所示，将设计好的n个折线边界类三角形覆板单元正面朝上，依次编号为CPF1，CPF2……CPFn。
b)如图6(b)所示，将设计好的另外n个折线边界类三角形覆板单元背面朝上，依次编号为CPB1，CPB2……CPBn。
c)如图6(c)所示，CPF1的1号点与CPB1的1号点相连，CPF1的2号点与CPB2的2号点相连，CPF1的3号点与CPB3的3号点相连，CPF1的4号点与CPB4的4号点相连(如果有4号点)；以此类推，CPFN的1号点与CPBN的1号点相连，CPFN的2号点与CPBX的2号点相连，CPFN的3号点与CPBY的3号点相连，CPFN的4号点与CPBZ的4号点相连(如果有4号点)。
X=N+1,N≤n-1N+1-n,N=n]]>Y=N+2,N≤n-2N+2-n,N>n-2]]>Z=N+3,N≤n-3N+3-n,N>n-3]]>d)制作好的开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构如图6(d)所示。
实施例1拟设计一个半径为115mm的开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构，剪式铰的直径为5.8mm。
1)选取n＝8，k＝3，ψ1＝20°，ψ2＝20°，rj＝3mm；根据R＞ρ3+rj，代入(1)式，即 解得1＜52.323mm，取1＝50mm。
2)将设计参数代入(3)式和(4)式中，计算得rmax＝96.3299mm，Φ＝95°；选取ρ0＝55.5mm，根据ρ0·cosθ0=l·sinΦ2,]]>计算得θ0＝48.378°。ρ0∈(50，96.3299)，θ0∈(42.5°，67.5°)(k＝3)3)如图3(a)所示，建立极坐标系，以极点O作为圆弧起点，(ρ0，-θ0)为圆心，作圆弧OF，交极轴于F点。
4)如图3(b)所示，以F为第二段圆弧起点，在极轴上周期性重复画相等圆弧FG。
5)如图3(c)所示，将圆弧OF和FG逆时针转过45°，再重复3、4步骤一次，画圆弧OP和PQ。
6)如图3(d)所示，以极点O为圆心，R为半径，作圆弧ST交圆弧FG于T，交圆弧PQ于S。
7)将设计参数代入(1)式和(2)式中，分别计算得到 8)如图3(e)所示，截去各圆弧的多余部分，分别以(ρ1，θ1)，(ρ2，θ2)，(ρ3，θ3)为圆心，作3mm半径的铰联孔，分别给铰联孔编号，以铰联孔到极点距离从小到大的顺序依次编号孔1、孔2、孔3。
9)重复1～8步骤16次。
10)如图7(a)所示，将设计好的8个弧线边界类三角形覆板单元正面朝上，依次编号为CAF1，CAF2……CAF8。
11)如图7(b)所示，将设计好的另外8个弧线边界类三角形覆板单元背面朝上，依次编号为CAB1，CAB2……CAB8。
12)图7(c)所示，CAF1的1号点与CAB1的1号点相连，CAF1的2号点与CAB2的2号点相连，CAF1的3号点与CAB3的3号点相连；以此类推，CAFN的1号点与CABN的1号点相连，CAFN的2号点与CABX的2号点相连，CAFN的3号点与CABY的3号点相连。
X=N+1,N≤n-1N+1-n,N=n]]>Y=N+2,N≤n-2N+2-n,N>n-2]]>Z=N+3,N≤n-3N+3-n,N>n-3]]>13)制作好的开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构如图7(d)所示。
实施例2拟设计一个半径为81mm的开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构，剪式铰的直径为3.8mm。
1)选取n＝9，k＝3，ψ1＝15°，ψ2＝20°，rj＝2mm；根据R＞ρ3+rj，代入(1)式，即 解得l＜36.6478mm，取l＝36mm。
2)将设计参数代入(3)式和(4)式中，计算得rmax＝83.5059mm，Φ＝105°；选取ρ0＝37.3647mm，根据ρ0·cosθ0=l·sinΦ2,]]>计算得θ0＝40.1484°。ρ0∈(36，83.5059)，θ0∈(37.5°，70°)(k＝3)3)如图4(a)所示，建立极坐标系，以极点O作为圆弧起点，(ρ0，θ0)为圆心，作圆弧OF，交极轴于F点，圆弧中点为A，用折线OAF代替圆弧OF。
4)如图4(b)所示，以F点作为为第二段折线起点，在极轴上周期性重复画相等折线FBG。
5)如图4(c)所示，将折线OAF和FBG逆时针转过40°，再重复3、4步骤一次，画折线OCP和折线PDQ。
6)如图4(d)所示，以极点O为圆心，R为半径，作圆弧ST折线FBG于T，交折线PDQ于S。
7)将设计参数代入(1)式和(2)式中，分别计算得到 8)如图4(e)所示，截去各折线的多余部分，分别以(ρ1，θ1)，(ρ2，θ2)，(ρ3，θ3)为圆心，作3mm半径的铰联孔，分别给铰联孔编号，以铰联孔到极点距离从小到大的顺序依次编号孔1、孔2、孔3。
9)重复1～8步骤18次。
10)如图6(a)所示，将设计好的9个折线边界类三角形覆板单元正面朝上，依次编号为CPF1，CPF2……CPF9。
11)如图6(b)所示，将设计好的另外9个折线边界类三角形覆板单元背面朝上，依次编号为CPB1，CPB2……CPB9。
12)图6(c)所示，CPF1的1号点与CPB1的1号点相连，CPF1的2号点与CPB2的2号点相连，CPF1的3号点与CPB3的3号点相连；以此类推，CPFN的1号点与CPBN的1号点相连，CPFN的2号点与CPBx的2号点相连，CPFN的3号点与CPBY的3号点相连。
X=N+1,N≤n-1N+1-n,N=n]]>Y=N+2,N≤n-2N+2-n,N>n-2]]>Z=N+3,N≤n-3n+3-n,N>n-3]]>13)制作好的开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构如图6(d)所示。
权利要求
1.一种径向可开启圆形板式结构的制作方法，其特征在于，它的步骤如下1)选择开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构或开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构，并根据所选结构确定设计参数；2)设计开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构的覆板单元弧线边界类三角形覆板单元，开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构的覆板单元折线边界类三角形覆板单元，主要公式如下rmax=lsinπn·cos[(k-2)πn+ψ1+ψ22],]]>Φ=π-(k-2)2πn-(ψ1+ψ2);]]>3)确定两种覆板单元上铰联孔位置，首先建立极坐标系，那么铰联孔中心的坐标是(ρi，θi)，(i＝1，2…k)，主要公式如下ρi=lsinπn·sin[(i-1)πn+ψ12]]]>(i＝1，2…k)，θi=(k-i)πn+ψ22]]>(i＝1，2…k)；4)两种径向可开启圆形板式结构的覆板单元按照组合方式通过剪式铰联结。
2.根据权利要求1所述的一种径向可开启圆形板式结构的制作方法，其特征在于，所述的两种覆板单元按照组合方式通过剪式铰节点联结开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构由n个正面朝上的弧线边界类三角形覆板单元和n个背面朝上的弧线边界类三角形覆板单元按照组合方式通过剪式铰节点联结而成，一个正面朝上的弧线边界类三角形覆板单元分别和k个背面朝上的弧线边界类三角形覆板单元相连，节点联结关系是最内圈节点对应相连，次内圈节点对应相连，依次类推，最外圈节点对应相连。
3.根据权利要求1所述的一种径向可开启圆形板式结构的制作方法，其特征在于，所述的两种覆板单元按照组合方式通过剪式铰节点联结开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构由n个正面朝上的折线边界类三角形覆板单元和n个背面朝上的折线边界类三角形覆板单元按照组合方式通过剪式铰节点联结而成，一个正面朝上的折线边界类三角形覆板单元分别和k个背面朝上的折线边界类三角形覆板单元相连，节点联结关系是最内圈节点对应相连，次内圈节点对应相连，依次类推，最外圈节点对应相连。
全文摘要
本发明公开了一种径向可开启圆形板式结构的制作方法。它的步骤如下1)选择开启后具有梅花形开口的可开启圆形板式结构或开启后具有多边形开口的可开启圆形板式结构，并根据所选结构确定设计参数；2)设计两种径向可开启圆形板式结构的覆板单元弧线边界类三角形覆板单元、折线边界类三角形覆板单元；3)确定两种覆板单元上铰联孔位置；4)两种径向可开启圆形板式结构的覆板单元按照组合方式通过剪式铰联结。本发明的优点是根据本制作方法制成的结构的造型优美丰富、构思巧妙、设计灵活、结构的开启率大；结构闭合时中央完全封闭，不留孔洞；开启时所有剪式铰节点均沿着各自的径向线作直线运动，所有覆板单元均同步运动，易于控制。
文档编号E04B7/16GK1715581SQ20051005040
公开日2006年1月4日 申请日期2005年6月22日 优先权日2005年6月22日
发明者罗尧治, 毛德灿 申请人:浙江大学