一種用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構及其方法，該結(jié)構包括雙向正交的若干剪鉸式桿件單元、節(jié)點和固定裝置；剪鉸式桿件單元通過節(jié)點相互連接，形成一個整體；該結(jié)構存在1個運動自由度；該結(jié)構完全折疊為一束桿件后，通過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)格曲面失去運動自由度而保持穩(wěn)定狀態(tài)。該折疊結(jié)構體系形式新穎、結(jié)構受力合理、驅(qū)動控制方便、可實現(xiàn)快速組裝及裝配化施工，具有較好的運用前景。
【專利說明】—種用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可展式結(jié)構體系，具體涉及一種可實現(xiàn)自由曲面的完全可折疊結(jié)構體系。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有的技術主要是由桿系單元結(jié)構構成可展結(jié)構或構件。
[0003]桿系單元結(jié)構主要有:
[0004](I)由剪式鉸結(jié)構，形成雙層可展網(wǎng)格結(jié)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(zhuǎn)動的桿件組成，數(shù)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(jié)構。
[0006]基于剪式單元的雙層可展網(wǎng)格結(jié)構可分自穩(wěn)定可展結(jié)構和附加支撐穩(wěn)定結(jié)構，前者在展開過程及工作狀態(tài)無需附加支撐。
[0007](2)開合結(jié)構
[0008]開合結(jié)構在建筑上主要用于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、折疊方式、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(jié)構
[0011]伸展臂可作為大型航天器的子結(jié)構，如智能操作臂、太陽帆、可展天線的支撐臂、雷達定位桿和空間可展平臺等。
[0012]該技術的使用目前存在以下缺陷:1、只能實現(xiàn)平面的可展或簡單曲面的可展，不能實現(xiàn)具有一般性的自由曲面的可展；2、適用范圍不夠廣泛，目前在社會生活中應用較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]技術問題:本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構及其方法，一方面對自由曲面的網(wǎng)格劃分方法，另一方面通過一定方法實現(xiàn)完全可展，將此技術推廣到建筑領域，增加建筑的功能性與觀賞性。
[0014]技術方案:為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構，該結(jié)構包括雙向正交的若干剪鉸式桿件單元、節(jié)點和固定裝置；剪鉸式桿件單元通過節(jié)點相互連接，形成一個整體；該結(jié)構存在I個運動自由度；該結(jié)構完全折疊為一束桿件后，通過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)格曲面失去運動自由度而保持穩(wěn)定狀態(tài)。
[0015]優(yōu)選的，每個剪鉸式桿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于一處；
[0016]每個平面剪鉸式單元由兩個桿件組成，通過銷軸連接兩個桿件的中點，兩個桿件可繞該點在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，稱該點為銷軸節(jié)點；
[0017]第一平面剪鉸式單元所包含的兩個桿件長度分別是2Xl，2yi，第二平面剪鉸式單元所包含的兩個桿件長度分別是2x2，2y2，第三平面剪鉸式單元所包含的兩個桿件長度分別是2x3，2y3，第四平面剪鉸式單元所包含的兩個桿件長度分別是2x4，2y4，其滿足如下幾何關系:
[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有上弦連接節(jié)點和下弦連接節(jié)點兩個連接節(jié)點，每個連接節(jié)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)點連接固定，且豎向腹桿長度可自由調(diào)節(jié)。
[0021]本發(fā)明還提供了一種用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構的方法，該方法包括如下步驟:
[0022]首先將剪鉸式桿件單元通過節(jié)點相互連接，形成一個整體；該結(jié)構完全折疊為一束桿件后，通過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，對自由曲面網(wǎng)格的單元劃分，為了方便收納與展開節(jié)點采用統(tǒng)一的節(jié)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；
[0023]其次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分別在距桿端的位置進行打孔，以方便與節(jié)點之間的連接；
[0024]每個平面剪鉸式單元`由兩個桿件組成，通過銷軸連接兩個桿件的中點，兩個桿件可繞該點在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，稱該點為銷軸節(jié)點；為了滿足曲面要求，銷軸節(jié)點所在位置位于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所包含的每個桿件的中點，而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所包含的每個桿件的長度需要根據(jù)單元位置進行調(diào)整，桿件與節(jié)點之間由螺栓進行固定。
[0025]有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的特色及優(yōu)點:
[0026]對于一大類自由曲面(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(jié)構體系實現(xiàn)它的完全折疊與展開，不僅大大提高了結(jié)構的可觀賞性，而且整個結(jié)構構件僅有一個自由度，方便固定。該結(jié)構可以實現(xiàn)現(xiàn)場快速組裝與裝配，大大提高施工建造效率。且結(jié)構具有可展特性，再利用率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1a是自由曲面網(wǎng)格結(jié)構整體視圖；
[0028]圖1b是自由曲面網(wǎng)格結(jié)構主視圖；
[0029]圖1c是自由曲面網(wǎng)格結(jié)構左視圖；
[0030]圖1d是自由曲面網(wǎng)格結(jié)構俯視圖；
[0031]圖2a是節(jié)點三維視圖；
[0032]圖2b是節(jié)點俯視圖；[0033]圖2c是節(jié)點主視圖；
[0034]圖2d是節(jié)點左視圖；
[0035]圖3a是剪鉸式桿件單元；
[0036]圖3b是第一平面剪鉸式單元A ；
[0037]圖3c是第二平面剪鉸式單元B ；
[0038]圖3d是第三平面剪鉸式單元C ；
[0039]圖3e是第四平面剪鉸式單元D ；
[0040]圖4是豎向腹桿。
【具體實施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0042]本發(fā)明提供的用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構，該結(jié)構包括雙向正交的若干剪鉸式桿件單元、節(jié)點和固定裝置；剪鉸式桿件單元通過節(jié)點相互連接，形成一個整體；該結(jié)構存在I個運動自由度；該結(jié)構完全折疊為一束桿件后，通過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)格曲面失去運動自由度而保持穩(wěn)定狀態(tài)。
[0043]每個剪鉸式桿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正交交匯于一處;
[0044]每個平面剪鉸式單元由兩個桿件組成，通過銷軸連接兩個桿件的中點，兩個桿件可繞該點在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，稱該點為銷軸節(jié)點；
[0045]第一平面剪鉸式單元A所包含的兩個桿件長度分別是2Xl，2yi，第二平面剪鉸式單元B所包含的兩個桿件長度分別是2x2，2y2，第三平面剪鉸式單元C所包含的兩個桿件長度分別是2x3，2y3，第四平面剪鉸式單元D所包含的兩個桿件長度分別是2x4，2y4，其滿足如下幾何關系:
[0046]Xj+y^-x2+y2_X3+y3_X4+y4。
[0047]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(jié)點和下弦連接節(jié)點兩個連接節(jié)點，每個連接節(jié)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中包含的桿件外徑相同。
[0048]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)點連接固定，且豎向腹桿長度可自由調(diào)節(jié)。
[0049]本發(fā)明還提供了一種用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構的方法，該方法包括如下步驟:
[0050]首先將剪鉸式桿件單元通過節(jié)點相互連接，形成一個整體；該結(jié)構完全折疊為一束桿件后，通過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，對自由曲面網(wǎng)格的單元劃分，為了方便收納與展開節(jié)點采用統(tǒng)一的節(jié)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；[0051]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行打孔，以方便與節(jié)點之間的連接；
[0052]每個平面剪鉸式單元由兩個桿件組成，通過銷軸連接兩個桿件的中點，兩個桿件可繞該點在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，稱該點為銷軸節(jié)點；為了滿足曲面要求，銷軸節(jié)點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所包含的每個桿件的中點，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中所包含的每個桿件的長度需要根據(jù)單元位置進行調(diào)整，桿件與節(jié)點之間由螺栓進行固定。
[0053]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(wǎng)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，方便桿件與本方案所用節(jié)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，可證明對于其它曲面形狀也可以用這種網(wǎng)格劃分技術加以劃分。
[0054]圖2a_2d為我們所使用的節(jié)點圖，圖中孔槽的寬度a與桿件的外徑相等，每一個孔槽的內(nèi)邊界的延長線通過節(jié)點的中心且同一方向上的兩個孔槽分列于節(jié)點中心兩側(cè)以保證可展剪式鉸單元桿件不會在鉸接點處產(chǎn)生過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)點連接的螺栓孔，2為豎向腹桿連接上下節(jié)點的螺栓孔。
[0055]圖3a_3e為本實驗模型自由曲面的剪鉸式桿件的設計圖。取圖1.1中整體網(wǎng)格結(jié)構視圖中任一單元區(qū)域為例，該單元共包含A、B、C、D四個平面剪鉸式單元，各桿件單元的尺寸標注見圖三。圖3中I為剪鉸式單元的銷軸節(jié)點，2為節(jié)點與鉸式單元連接的螺栓孔。每個桿件單元的桿件長度根據(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)點連接，桿件尺寸需要滿足以下幾何要求:
[0056]Xfy1-x2+y2_x3+y3_x4+y4。
[0057]滿足上述尺寸的要求后，該空間剪鉸式單元的兩個方向均可以實現(xiàn)完全折疊，從而實現(xiàn)了整個自由曲面網(wǎng)格結(jié)構的完全折疊。
[0058]圖四為用于固定展開后的自由曲面結(jié)構的豎向腹桿，通過豎向腹桿連接同一單元的上下弦的兩個節(jié)點，使整個結(jié)構失去自由度實現(xiàn)固化。由于結(jié)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桿以保證結(jié)構的整體穩(wěn)定。另外，我們所設計的豎向腹桿由兩段拼接而成，可通過中間的螺桿部分調(diào)節(jié)豎向腹桿的長度，從而克服了誤差對上下弦節(jié)點之間距離的影響。
【權利要求】
1.一種用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構，其特征在于，該結(jié)構包括雙向正交的若干剪鉸式桿件單元、節(jié)點和固定裝置；剪鉸式桿件單元通過節(jié)點相互連接，形成一個整體；該結(jié)構存在I個運動自由度；該結(jié)構完全折疊為一束桿件后，通過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)格曲面失去運動自由度而保持穩(wěn)定狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構，其特征在于，每個剪鉸式桿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)正交交匯于一處； 每個平面剪鉸式單元由兩個桿件組成，通過銷軸連接兩個桿件的中點，兩個桿件可繞該點在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，稱該點為銷軸節(jié)點； 第一平面剪鉸式單元(A)所包含的兩個桿件長度分別是2Xl，2yi，第二平面剪鉸式單元(B)所包含的兩個桿件長度分別是2x2，2y2，第三平面剪鉸式單元(C)所包含的兩個桿件長度分別是2x3，2y3，第四平面剪鉸式單元(D)所包含的兩個桿件長度分別是2x4，2y4，其滿足如下幾何關系:
xi+y i_x2+y2_x3+y 3_x4+y 4。
3.根據(jù)權利要求2所述的用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構，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)正交交匯處設有上弦連接節(jié)點和下弦連接節(jié)點兩個連接節(jié)點，每個連接節(jié)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)中包含的桿件外徑相同。
4.根據(jù)權利要求2所述的用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構，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)點連接固定，且豎向腹桿長度可自由調(diào)節(jié)。
5.一種用于實現(xiàn)自由曲面的完全折疊結(jié)構的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 首先將剪鉸式桿件單元通過節(jié)點相互連接，形成一個整體；該結(jié)構完全折疊為一束桿件后，通過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，對自由曲面網(wǎng)格的單元劃分，為了方便收納與展開節(jié)點采用統(tǒng)一的節(jié)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； 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行打孔，以方便與節(jié)點之間的連接； 每個平面剪鉸式單元由兩個桿件組成，通過銷軸連接兩個桿件的中點，兩個桿件可繞該點在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，稱該點為銷軸節(jié)點；為了滿足曲面要求，銷軸節(jié)點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)所包含的每個桿件的中點，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)中所包含的每個桿件的長度需要根據(jù)單元位置進行調(diào)整，桿件與節(jié)點之間由螺栓進行固定。
【文檔編號】E04B1/344GK103758210SQ201410013010
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權日: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 申請人:東南大學