專利名稱：應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明總的來說涉及結(jié)構(gòu)，例如承載結(jié)構(gòu)，具體涉及能被安全承載的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)所需的材料量之比(trade-off)提高的結(jié)構(gòu)。
大批設(shè)計方案，包括由理查德·巴克明斯特·富勒(RichardBuckm in ster Fuller)提出并構(gòu)造的許多設(shè)計，均以這一提高的強(qiáng)度重量比為目標(biāo)。
在大多數(shù)使用承載結(jié)構(gòu)的情況下，特別是在橋和梁、拱和桁架中，破壞產(chǎn)生于拉力破壞而不是壓力破壞。盡管最初施加的負(fù)載在材料中產(chǎn)生壓應(yīng)力，該應(yīng)力在材料內(nèi)被導(dǎo)致拉力的矢量所分解。例如，一個上表面承受負(fù)載的橋梁將會以下述方式產(chǎn)生撓曲，該方式使其沿下表面形成拉力。破壞將會產(chǎn)生于拉力破壞。
為補(bǔ)償這種效應(yīng)，可裝有在拉力狀態(tài)下尤其穩(wěn)固的拉桿或纖維。不同層內(nèi)具有不同纖維走向的多層與層壓材料經(jīng)常被用于抗拉。在某些材料特別是陶瓷中，人們非常注意使有產(chǎn)生破壞傾向的顆粒間界達(dá)到最小化。
對于開發(fā)具有很大抗拉強(qiáng)度的材料業(yè)已受到關(guān)注，其應(yīng)用于承載結(jié)構(gòu)中的方式是利用該材料的抗拉強(qiáng)度以使施加于該結(jié)構(gòu)的負(fù)載至少有部分被這些抗拉構(gòu)件中產(chǎn)生的拉力所分解。這種方法已在公開于1967年的巴克明斯特·富勒(Buckm in ster Fuller)美國第3354591號專利中提出。公開于1980年的美國第4207715號專利提出了對該結(jié)構(gòu)更近的改進(jìn)。在公開于1987年的美國第4711062號專利所示的結(jié)構(gòu)中，對抗拉與抗壓構(gòu)件的組合也已做了介紹。
通常，大多數(shù)成本效益高的承載結(jié)構(gòu)材料其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，例如混凝土、鋼和鋁就是如此。由于這種材料可用性好以及成本合理，因此應(yīng)用這種材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常廣泛。
因此，本發(fā)明的主要目的是使用抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大的材料來提供一種具有改進(jìn)的應(yīng)力分解特性的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的相關(guān)目的是提供一種改進(jìn)的承載結(jié)構(gòu)，其臨界破壞點(diǎn)是其抗壓強(qiáng)度的函數(shù)而不是其抗拉強(qiáng)度的函數(shù)。
本發(fā)明的另一相關(guān)目的是提供一種承載結(jié)構(gòu)，對于一個預(yù)定的破壞點(diǎn)而言，該結(jié)構(gòu)所需材料少于已知結(jié)構(gòu)通常所需的材料。
簡要說明本發(fā)明涉及具有均勻間隔的一組預(yù)定空隙的單一物質(zhì)。上述空隙是如此間隔的，使得應(yīng)力在結(jié)構(gòu)中以一種使拉應(yīng)力的生成最小化的形式被分解。
這些空隙以特定形式散開，均勻遍及整個結(jié)構(gòu)，應(yīng)力不能通過空隙傳遞，因此在空隙周圍應(yīng)力以使拉應(yīng)力的生成最小化的形式被分解。
為達(dá)到該目的，設(shè)想該單一結(jié)構(gòu)由密堆積的一組斜方十二面體(RD)組成。一組尺寸相等的斜方十二面體可堆積成完全充滿所包圍的整個空間而沒有任何空隙。這樣的堆積就稱為密堆積組。RD的六個頂點(diǎn)是四棱頂點(diǎn)，八個頂點(diǎn)是三棱頂點(diǎn)。如果在大約棱中點(diǎn)處將這六個四棱頂點(diǎn)的每一個截角，就會得到一個截角斜方十二面體(以下簡寫為TRD)，它是用于分析本發(fā)明的基本固體單元。
在一個實(shí)施例中，承載結(jié)構(gòu)中的空隙是由密堆積的固體RD的四棱頂點(diǎn)被這樣截角后所留下的空隙。
顯然，這些假定的RD之尺寸可明顯地改變。重要的是要有大量的假想RD，從而具有大量的空隙。由截角四棱頂點(diǎn)所留下的空隙將在整個結(jié)構(gòu)中均勻地間隔開。
為使上述描述形象化，必須記住在密堆積的一組RD中，不僅沒有空隙而且鄰近的RD具有重合的四棱頂點(diǎn)和重合的三棱頂點(diǎn)。這樣，對密堆積的RD之四棱頂點(diǎn)的截角形成立方形的空隙。
實(shí)質(zhì)上，這些立方形的空隙防止應(yīng)力沿RD的“虛擬”鄰棱進(jìn)行分解，而使應(yīng)力通過包含相鄰RD之“表面”的區(qū)域進(jìn)行分解。其結(jié)果是以使拉力的生成最小化的方式將應(yīng)力分解。
定義斜方十二面體(RD)斜方十二面體就象立方體一樣，是一種空間填充型結(jié)構(gòu)。就是說，一組相同的斜方十二面體(RD)可以堆積起來，從而完全充滿它們所包圍的空間而沒有任何空隙。RD有十二個斜方表面；就是說，斜方形的所有四條邊均相等。它有十二個表面和十四個頂點(diǎn)。其中六個頂點(diǎn)由四條棱構(gòu)成、八個頂點(diǎn)由三條棱構(gòu)成?？梢栽O(shè)想由一組任意尺寸的、相同的、密堆積的斜方十二面體組成一單一物質(zhì)。人們可從概念上將單一物質(zhì)認(rèn)為是由上述這樣的一組斜方十二面體組成的。截角斜方十二面體(TRD)這是本文中施加于RD的一個名詞，一組空間填充型、概念上的RD的六個四棱頂點(diǎn)被截角。對每個RD的六個四棱頂點(diǎn)的每一個在大約棱中點(diǎn)處截角，并且將截角的部分從物質(zhì)上去除，就形成一個立方形空隙的六分之一。在每一點(diǎn)的六個空隙最終形成一組立方形空隙。這就是

圖1和2中所示的立方形空隙12。
優(yōu)選的是RD棱上截角所處的點(diǎn)使得所形成的TRD的各棱均相等。圖4和圖5圖示了一個TRD的兩個視圖。該TRD有12個六邊形表面和六個正方形表面。理想的TRD具有48條相等的棱。所有頂點(diǎn)均為三棱頂點(diǎn)。
在本文所述的圖1結(jié)構(gòu)中，每四個從概念上所設(shè)想的TRD中的一個被去掉，形成TRD空隙14。陣列本文中所使用的名詞“點(diǎn)陣列”指的是一組以三維方式排列的點(diǎn)。該組點(diǎn)為點(diǎn)的三維陣列。由于空隙與點(diǎn)的相互關(guān)系，本文引入點(diǎn)陣列是很有用的?？障?2和空隙14都以這些陣列點(diǎn)為中心。
必須記住立方形空隙12以其為中心的各點(diǎn)之陣列與TRD空隙14以其為中心的各點(diǎn)之陣列是不同的陣列，這些點(diǎn)陣列不是正交陣列。在一給定的陣列中，相鄰點(diǎn)之間的距離是相等的。而該距離的量值可有很大變化。
第一陣列由構(gòu)成一組密堆積的、空間填充型RD之四棱頂點(diǎn)的一組點(diǎn)限定而成。
第二陣列由構(gòu)成同一組密堆積的、空間填充型RD之中心點(diǎn)的一組點(diǎn)限定而成。RD和TRD的大小沒有對本文所提到的RD和TRD規(guī)定大小。這是由于單一物質(zhì)在數(shù)學(xué)上可被劃分成一組任意大小的密堆積的全等RD。唯一重要的是RD的幾何大小要足夠小，從而在所構(gòu)造的結(jié)構(gòu)中有大量RD，優(yōu)選的是有成百的RD。
附圖的簡要說明圖1是本發(fā)明一種承載物質(zhì)的最優(yōu)化空隙結(jié)構(gòu)之片段的幾何透視圖。圖1顯示了立方形空隙構(gòu)成的第一組空隙的組元12，和截角斜方十二面體(TRD)構(gòu)成的第二組空隙的組元14。觀察圖1有助于使人記住每個TRD空隙14有6個正方形表面。因此每個TRD空隙與6個立方形空隙相連通。此外，一定數(shù)目的立方形空隙，如空隙12A，與圖1所示實(shí)施例中的其它任何空隙均不相連通。除圖示的空隙外，該物質(zhì)所占的所有空間均被該物質(zhì)所含的材料充滿。
圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例之片段的幾何透視圖，其中只保留了立方形空隙12而略去了截角斜方十二面體的空隙14。因此，圖1中由TRD空隙14所占的空間在圖2中被該結(jié)構(gòu)的材料充滿。
圖3為透視圖，圖示了可用于生成圖2所示結(jié)構(gòu)的預(yù)制件之片段。圖3只顯示了單獨(dú)一層預(yù)制件元素16。實(shí)際的預(yù)制件就象實(shí)際結(jié)構(gòu)一樣，具有三維的一組元素16，在結(jié)構(gòu)中形成三維的一組空隙12。
圖4和5為截角斜方十二面體的透視圖，它們構(gòu)成第二組空隙的元素，如圖1中所示的空隙14。
優(yōu)選實(shí)施例的描述本發(fā)明的承載結(jié)構(gòu)是一種適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)10，如混凝土，優(yōu)選的是，該物質(zhì)基本上是單一的并含有特定的一組空隙。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，該特定的一組空隙對于承載結(jié)構(gòu)上的誘發(fā)應(yīng)力進(jìn)行定向和分解，從而使所含物質(zhì)中產(chǎn)生的拉力最小化。于是，如混凝土這種在壓力下堅固而在拉力下脆弱的材料就能夠經(jīng)受住所施加的負(fù)載，直到其在壓力下破壞為止。
產(chǎn)生這一力的理想化分解的部分原因已在“一些工作原理”的標(biāo)題下進(jìn)行了討論。在這里所討論的目的是為了傳授如何構(gòu)造所發(fā)明的結(jié)構(gòu)。
通過如定義中所述來設(shè)想斜方十二面體(RD)，然后如定義中所述設(shè)想截角RD(TRD)，有助于將本發(fā)明所產(chǎn)生的空隙之間的相互關(guān)系形象化。
這組假定的空間填充型RD提供由這組RD的四棱頂點(diǎn)所限定的第一點(diǎn)陣列。這組RD的每個四棱頂點(diǎn)被截角后則形成具有實(shí)際正方形空隙的一組虛擬TRD。這就是圖2所示的該組空隙12和圖3所示的預(yù)制件。
可以相信，最優(yōu)方案是TRD的假想棱相互相等。這意味著截角發(fā)生的位置是從四棱頂點(diǎn)延伸到棱長度的46.41％處。然而，只要在這些四棱頂點(diǎn)處具有一個合理的空隙，則應(yīng)力分解的本質(zhì)特性是使拉力的產(chǎn)生最小化。
然后要說明的是為產(chǎn)生如圖1所示的結(jié)構(gòu)，這些假定的TRD中的四分之一可被制成空隙。
這意味著圖1所示結(jié)構(gòu)對于每個TRD空隙14具有4個立方形空隙12。該結(jié)構(gòu)能夠最大限度地降低拉力的產(chǎn)生。這樣做的同時使單一物質(zhì)所需的材料量最小。
圖1所示最優(yōu)化方案的一種改變立即給人以好印象，并且，從實(shí)用角度來看，提供了優(yōu)選實(shí)施方案之一。這種改變是省略那些立方形空隙12A，這些空隙12A與空隙結(jié)構(gòu)的其余部分不相連。這就在每四個立方形空隙12中刪去一個?？梢灶A(yù)期對于有利的應(yīng)力分解僅產(chǎn)生最小的影響，而又能使構(gòu)造預(yù)制件容易得多。
可將圖1所示的已省略“浮置”立方形空隙12A的空隙排布方案設(shè)想成一個預(yù)制件之片段的負(fù)結(jié)構(gòu)(negative)，可用來形成一個優(yōu)選實(shí)施例。
在最優(yōu)方式中，用于應(yīng)力導(dǎo)向與分解從而降低材料中拉力產(chǎn)生的關(guān)鍵性空隙是立方形空隙12。因此圖2的實(shí)施例是進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例。圖2是在圖1方案中刪除了TRD空隙14。就是說，TRD空隙14被該結(jié)構(gòu)的材料充滿。圖2實(shí)施例提供與圖1實(shí)施例基本相同的力的最優(yōu)化分解。然而，這樣做使材料的使用效率較低。
圖3圖示了可用于制造或模制圖2所示實(shí)施例的預(yù)制件之片段。預(yù)制件的各立方形元素16可由不傳遞力的非結(jié)構(gòu)性材料制成，因此該空隙的作用就象空氣一樣。元素16的材料可留在結(jié)構(gòu)中，只要該材料比結(jié)構(gòu)的承載材料的剛度小，或元素16在模制后能揮發(fā)掉即可。應(yīng)當(dāng)明白本文中空隙這個術(shù)語指的是一個不能通過其傳遞力的區(qū)域。
應(yīng)當(dāng)注意圖1所留下的印象立方形空隙12是在某種正交陣列中散開的，TRD空隙14也是在某種正交陣列中散開的。這是不正確的印象。這是在兩維投影圖中圖示這些三維結(jié)構(gòu)所不可避免的結(jié)果。需記住的是每個立方形空隙的中心點(diǎn)與包圍在任一立方形空隙周圍的12個立方形空隙的中心點(diǎn)是等間隔的。這一關(guān)系適用于任何可從結(jié)構(gòu)中挑出的立方形空隙。
同樣，每個TRD空隙14的中心點(diǎn)與包圍它的六個TRD空隙14的中心點(diǎn)之間是等距離的。整個結(jié)構(gòu)均維持這種關(guān)系。
盡管一個最優(yōu)化設(shè)計將在每個陣列點(diǎn)上安置一個適當(dāng)大小的空隙，但應(yīng)當(dāng)理解要對力進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆纸?，就必須在陣列點(diǎn)上具有大量的空隙12。由空隙12所包圍的陣列點(diǎn)的數(shù)目越大，則本發(fā)明的結(jié)構(gòu)工作得就越好。只要存在大量空隙，則有些陣列點(diǎn)未被空隙包圍的實(shí)際情況只會對所涉及的結(jié)構(gòu)之性能產(chǎn)生很小的降低。
從最優(yōu)性能降低到次一些性能為一連續(xù)函數(shù)，該連續(xù)函數(shù)隨未能完全滿足的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)的數(shù)量而變。這些參數(shù)包括(a)在每個陣列點(diǎn)有一個空隙12；(b)空隙12的大小，其最優(yōu)值是如本文所定義的立方體；(c)立方形空隙的取向；以及(d)包含TRD空隙14組。
立方形空隙12具有特殊意義，這是由于當(dāng)該組立方形空隙的取向使得每個空隙12的角對角軸線之一基本垂直于所涉及的結(jié)構(gòu)之承載表面時，呈現(xiàn)出應(yīng)力分解的最優(yōu)結(jié)果。從實(shí)際的工程角度來看，探尋這一取向的重要性尚不很清楚。不同材料與邊界設(shè)計的實(shí)驗(yàn)可表明從這種取向上可獲得多少另外的性能優(yōu)勢。八角桁架在公開于1961年5月30日的第2986241號專利中，巴克明斯特·富勒所公開的八角桁架是一種特殊的桁架設(shè)計，該桁架比先前的已知結(jié)構(gòu)以更有利的方式對所施加的力進(jìn)行分解。因此，由八角桁架所定義的框架結(jié)構(gòu)其強(qiáng)度高于預(yù)期值，該預(yù)期值是基于對力的某些假定的分解而得出的。盡管該類推可能不盡完全，申請人在某種程度上相信，本文所公開的固體單一結(jié)構(gòu)可被類推為一種八角桁架結(jié)構(gòu)，其中除了某些關(guān)鍵性區(qū)域外，八角桁架的開放部分均被填滿；這些關(guān)鍵性區(qū)域就是本發(fā)明中的空隙12。這些空隙12保證對應(yīng)力的傳遞將產(chǎn)生增強(qiáng)的分解，從而減少結(jié)構(gòu)中拉力的產(chǎn)生。對八角桁架的類推受到限制的原因之一在于富勒的設(shè)計使用了額外的桿以獲得穩(wěn)定性。本發(fā)明的設(shè)計的穩(wěn)定性來源于固體材料10只具有如本文所解釋的那樣散開的空隙12和14。但為便于思考本發(fā)明的一些方面，人們可將其設(shè)想為與八角桁架相似的、具有極粗桿的結(jié)構(gòu)?；旌辖Y(jié)構(gòu)本發(fā)明的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)是具有如上所述之空隙組的單一物質(zhì)10，可被用做整體結(jié)構(gòu)之一部分或做為承載結(jié)構(gòu)之一部分。例如，一個梁三等分的中間部分可由圖1或圖2的結(jié)構(gòu)組成，從而大大提高梁的功能。
再舉另一個例子，一個梁或其它結(jié)構(gòu)，可由數(shù)層不同的材料疊合而成，其中一層或多層為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，因此不必使整個產(chǎn)品含有本發(fā)明的結(jié)構(gòu)就可以形成增強(qiáng)的層壓產(chǎn)品。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)提供了生成依照本發(fā)明的教導(dǎo)的全承載結(jié)構(gòu)的能力，或生成具有依照本發(fā)明的教導(dǎo)的結(jié)構(gòu)子單元的能力。那些導(dǎo)致拉力高度集中的破壞區(qū)域可能是用本發(fā)明之結(jié)構(gòu)來替代的最好區(qū)域。空隙體積在如圖1所示的優(yōu)化設(shè)計中，約5％的結(jié)構(gòu)體積由立方形空隙12組所組成。另外圖1中23.75％的結(jié)構(gòu)體積由第二組空隙14組成；就是說，四個TRD中的一個是空隙。因此，在圖1所示結(jié)構(gòu)中，28.75％的體積為空隙。這些用于最優(yōu)設(shè)計的空隙體積的比例與陣列點(diǎn)之間的預(yù)定距離無關(guān)。
四分之一的立方形空隙12為浮置空隙12A。若刪除浮置空隙12A，則立方形空隙組成的總體積的比例為3.75％，而由空隙12和14組成的全部結(jié)構(gòu)的比例為27.5％。
在圖2所示第二實(shí)施例中，在制成本發(fā)明之結(jié)構(gòu)的材料中立方形空隙所占最佳比例為5％。從理論觀點(diǎn)來看，當(dāng)產(chǎn)生立方形空隙使得假想TRD的各棱具有完全相等的長度時，這些立方形空隙的體積占4.99815％。
實(shí)際上，這些空隙的大小甚至形狀可有明顯的變化，而對于依據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)所建立的結(jié)構(gòu)來講，對最優(yōu)性能僅產(chǎn)生相對很少的降低。亦即，這些空隙在大小和形狀上的顯著變化僅略微降低了材料避免產(chǎn)生拉應(yīng)力的能力。
概括地說，對于構(gòu)成圖1和圖2中立方形空隙12之中心的點(diǎn)，其周圍的任何有效的空隙都將起到阻止應(yīng)力通過這些點(diǎn)傳遞的作用，而且將起到以一種方式引導(dǎo)應(yīng)力的作用，該方式是使拉應(yīng)力的產(chǎn)生最小化。當(dāng)這些空隙的大小和形狀改變時，其性能的降低究竟有多么快，尚需實(shí)驗(yàn)來顯示。對空隙大小和形狀的精確選取，是隨實(shí)際應(yīng)用所需的強(qiáng)度而變的。
此外，可以省略掉一些立方形空隙12而不會嚴(yán)重降低性能。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)想省略掉約四分之一的立方形空隙，即圖1實(shí)施例中的浮置空隙12A。只要具有相當(dāng)大量的、在陣列點(diǎn)中適當(dāng)定位的這些空隙12，如本發(fā)明所教導(dǎo)的應(yīng)力分解就能實(shí)現(xiàn)?？杀皇÷缘目障吨?dāng)?shù)量將隨實(shí)際應(yīng)用的要求而變。重要的是要存在足夠大量的空隙，這些空隙被其它空隙所包圍，使得至少有十二個環(huán)繞空隙與所研究的空隙間距相等。正是這些由13個空隙12形成的并用子組提供了本發(fā)明的應(yīng)力分解功能。只要具有相當(dāng)數(shù)量的這些并用的13組元的子組，拉應(yīng)力的產(chǎn)生將會最小化。
申請人相信若各空隙均包圍著每個陣列點(diǎn)精確定位并且尺寸相等，則空隙的尺寸可比由本發(fā)明所提出的最優(yōu)化尺寸有顯著減小。申請人相信一組空隙，其每個空隙的體積是最優(yōu)化空隙體積的五分之一，將成為本發(fā)明的一個有意義且有效的實(shí)施例。申請人相信，空隙的適當(dāng)布局和空隙的數(shù)量遠(yuǎn)比空隙的尺寸重要?？障短畛淇障恫粋鬟f力是很重要的。本文中所使用的術(shù)語“空隙”意思是一個三維的區(qū)域，應(yīng)力基本上不能由該區(qū)域傳遞?？捎每諝饣蛉魏蜗鄬θ彳浀牟牧咸畛淇障?。什么是相對柔軟的材料則隨制造承載結(jié)構(gòu)的物質(zhì)而變?；旧希灰障吨械牟牧系膭偠让黠@小于承載結(jié)構(gòu)的材料的剛度，空隙就不會傳遞顯著的應(yīng)力，并將完成使應(yīng)力按照本發(fā)明被正確定向的恰當(dāng)功能。更具體地說，若空隙中材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始線性段之斜率明顯小于組成結(jié)構(gòu)的材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的可比段之斜率，則該空隙將能依照本發(fā)明的要求起到空隙的作用。圖3的預(yù)制件可由這樣的一種材料制成，該材料的剛度比結(jié)構(gòu)材料的剛度小很多。一些工作原理本發(fā)明的上述描述對為什么和如何實(shí)施本發(fā)明的一些方面給出了建議。這可能有助于理解所闡述的本發(fā)明。申請人相信這些是本發(fā)明之所以會如所述地工作的部分原因。
基本上，使用空隙所涉及到的是構(gòu)筑物質(zhì)結(jié)構(gòu)，以使得當(dāng)負(fù)載施加于結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力被定向?？障?2阻止應(yīng)力通過第一點(diǎn)陣列。第一點(diǎn)陣列是一組密堆積型RD的四棱頂點(diǎn)。應(yīng)力沿有物質(zhì)的區(qū)域引導(dǎo)，并趨于通過這些幾何上定義的RD表面來傳遞，由此部分地通過第二組陣列點(diǎn)來傳遞。
這種傳遞最終導(dǎo)致應(yīng)力的定向，從而依據(jù)材料中的壓應(yīng)力而不是拉應(yīng)力來對應(yīng)力最終分解。
廣泛地說，可以相信，應(yīng)力的分解被迫沿類似于應(yīng)力在一組密堆積的球體中所經(jīng)過的路徑進(jìn)行。所謂一組密堆積的球體是一組等直徑的球體，其中每個球體被12個其它球體包圍。在這種方案中，只能通過球體間的接觸點(diǎn)傳遞壓力。當(dāng)然，當(dāng)力施加于該組球體時，球體將飛散開。因此，人們必須在概念上設(shè)想該組球體被防止它們飛散的阻擋物束縛住。在這些條件下，所有應(yīng)力在阻擋物內(nèi)通過球體之間的接觸點(diǎn)以壓應(yīng)力來傳遞。申請人相信位于限定第一陣列的第一組點(diǎn)處的空隙1 2的布局，形成通過材料的橋，此橋以類似于一組密堆積的球體的方式使應(yīng)力定向。
可能會注意到一組密堆積的球體包含一組四面體空隙和八面體空隙?？障兜臄?shù)量是球體數(shù)量的三倍。三分之二的空隙為四面體空隙，而三分之一是八面體空隙。本發(fā)明的立方形空隙12與一組密堆積的球體中的八面體空隙具有相同的相互間幾何位置關(guān)系。因此假定的一組RD可被設(shè)想為對可比球體的替代，其中四面體空隙被填滿，而八面體空隙被制成如本發(fā)明所教導(dǎo)的立方形空隙。通過本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的材料路徑所進(jìn)行的應(yīng)力定向與分解，其方式與在一組密堆積的球體中通過接觸點(diǎn)進(jìn)行的應(yīng)力定向具有一些相似性。應(yīng)力不能通過空隙12(或球體的八面體空隙)傳遞；因此沿下述路徑傳遞，在該路徑中，應(yīng)力通過壓力而不是拉力被分解。
申請人相信，以上對所發(fā)生的情況做出了部分的解釋，并至少對本發(fā)明結(jié)構(gòu)中所涉及的應(yīng)力分解的型式給出了一些說明。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，包含具有第一組空隙的物質(zhì)，所述第一組空隙的每個組元包圍住所述物質(zhì)中第一組預(yù)定點(diǎn)之一，所述第一組預(yù)定點(diǎn)限定第一陣列，所述第一陣列中的所述各點(diǎn)與所述第一陣列中的12個且僅為12個相鄰的所述點(diǎn)間隔相等的距離。
2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一組空隙的體積大約占所述物質(zhì)體積的5％。
3.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一組空隙的體積基本上不少于所述結(jié)構(gòu)之體積的1％。
4.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為基本上所有所述第一陣列各點(diǎn)被所述第一組空隙中的一個單獨(dú)組元所包圍。
5.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一組點(diǎn)限定密堆積的一組斜方十二面體的四棱頂點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一組空隙的各組元基本上為立方形。
7.如權(quán)利要求2所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一組空隙的各組元基本上為立方形。
8.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一組空隙中填滿一種材料，該材料基本上不傳遞力。
9.如權(quán)利要求6所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為它具有預(yù)定承載表面；所述每個立方形空隙是定向的，以使其角對角軸線之一基本上垂直于所述承載表面。
10.如權(quán)利要求6所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為基本上，所有所述第一陣列點(diǎn)被所述第一組空隙的一個單獨(dú)組元所包圍。
11.如權(quán)利要求2所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為基本上，所有所述第一陣列點(diǎn)被所述第一組空隙的一個單獨(dú)組元所包圍。
12.如權(quán)利要求3所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為基本上，所有所述第一陣列點(diǎn)被所述第一組空隙的一個單獨(dú)組元所包圍。
13.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為基本上，所有所述第一陣列點(diǎn)被所述第一組空隙的一個單獨(dú)組元所包圍。
14.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征在于，它還包括第二組空隙，所述第二組空隙的每個組元，對所述物質(zhì)中第二組預(yù)定點(diǎn)的子組之一構(gòu)成包圍，所述第二組預(yù)定點(diǎn)限定第二陣列，其中第二陣列的所述各點(diǎn)與12個且僅為12個所述第二陣列中的所述相鄰點(diǎn)隔開相等的距離，所述第二陣列中相鄰各點(diǎn)之間的距離與所述第一陣列中相鄰各點(diǎn)之間的距離相等，所述點(diǎn)的子組是所述第二組點(diǎn)的四分之一，所述子組的各組元相互間隔相等距離，所述第二組空隙的各組元與所述第一組空隙的相鄰組元相連通。
15.如權(quán)利要求14所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一和第二組空隙組成連續(xù)的空隙，其中所述第一和第二組的各組元與鄰近空隙相連通。
16.如權(quán)利要求14所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一和第二組空隙中充滿一種基本上不傳遞力的材料。
17.如權(quán)利要求14所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第二組點(diǎn)限定一組密堆積的斜方十二面體之中心點(diǎn)。
18.如權(quán)利要求14所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一組空隙的各組元基本上為立方形；并且所述第二組空隙的各組元基本上為截角斜方十二面體。
19.如權(quán)利要求14所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為基本上所述第二陣列的所有點(diǎn)均被所述第二組空隙的一個單獨(dú)組元所包圍。
20.如權(quán)利要求19所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為基本上所述第一陣列的所有點(diǎn)均被所述第一組空隙的一個單獨(dú)組元所包圍。
21.如權(quán)利要求20所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一組空隙的各組元基本上為立方形；并且所述第二組空隙的各組元基本上為截角斜方十二面體。
22.如權(quán)利要求18所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為它具有預(yù)定承載表面；所述每個立方形空隙是定向的，以使其角對角軸線之一基本上垂直于所述承載表面。
23.如權(quán)利要求21所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為它具有預(yù)定承載表面；所述每個立方形空隙是定向的，以使其角對角軸線之一基本上垂直于所述承載表面。
24.一種應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，包括具有第一組和第二組空隙的物質(zhì)；所述第一組空隙的每個組元包圍住所述物質(zhì)中第一組預(yù)定點(diǎn)之一；所述第一組預(yù)定點(diǎn)限定第一陣列，其中所述第一陣列中所述各點(diǎn)與所述第一陣列中的12個且僅為12個所述相鄰點(diǎn)間隔相等的距離；所述第一陣列的大多數(shù)點(diǎn)被所述第一組空隙的一個單獨(dú)組元所包圍；所述第二組空隙的每個組元包圍住所述物質(zhì)中第二組預(yù)定點(diǎn)中的一個子組之一點(diǎn)；所述第二組預(yù)定點(diǎn)限定第二陣列，其中所述第二陣列中所述各點(diǎn)與所述第二陣列中的12個且僅為12個所述相鄰點(diǎn)間隔相等的距離；所述第二陣列中相鄰各點(diǎn)之間的距離與所述第一陣列中相鄰各點(diǎn)之間的距離相等；所述點(diǎn)的子組是所述第二組點(diǎn)的四分之一，所述子組的各組元相互等距離間隔；所述第二組空隙的各組元與所述第一組空隙的相鄰組元相連通。
25.如權(quán)利要求24所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一和第二組空隙組成連續(xù)的空隙，其中所述第一和第二組的各組元與鄰近空隙相連通。
26.如權(quán)利要求24所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一和第二組空隙中填滿一種基本上不傳遞力的材料。
27.如權(quán)利要求26所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一組空隙的各組元基本上為立方形；并且所述第二組空隙的各組元基本上為截角斜方十二面體。
28.如權(quán)利要求27所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第一組點(diǎn)限定一組密堆積的斜方十二面體的四棱頂點(diǎn)。
29.如權(quán)利要求27所述的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)，其特征為所述第二組點(diǎn)限定一組密堆積的斜方十二面體的中心點(diǎn)。
30.用于制造具有一組預(yù)定空隙的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)的預(yù)制件，包括一組三維的互連元素，所述各元素具有預(yù)定的體積，該體積基本上與由所述預(yù)制件制造而成的應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)中將要生成的空隙的體積相等，所述各元素均對一組預(yù)定點(diǎn)之中的一個單獨(dú)點(diǎn)構(gòu)成包圍，所述一組點(diǎn)的各組元與所述該組點(diǎn)中的12個且僅為12個相鄰的所述點(diǎn)間隔相等的距離。
31.如權(quán)利要求30所述的預(yù)制件，其特征為所述元素之材料的剛度明顯小于應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)的材料之剛度，該應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)用所述預(yù)制件制造而成。
32.如權(quán)利要求30所述的預(yù)制件，其特征為所述一組元素的材料可在應(yīng)用所述預(yù)制件制造出應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)之后揮發(fā)掉。
33.制造應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)的方法，該結(jié)構(gòu)中隨負(fù)載所產(chǎn)生的拉力達(dá)到最小化，該方法包含以下步驟選擇一種合適的結(jié)構(gòu)物質(zhì)；在所述物質(zhì)中生成第一組空隙，所述第一組空隙的各組元對第一個三維陣列的第一組預(yù)定點(diǎn)之一形成包圍；所述第一陣列中的所述各點(diǎn)與所述第一陣列中的12個且僅為12個相鄰點(diǎn)間隔相等的距離。
34.如權(quán)利要求33所述的制造應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)之方法，其特征在于，還包含以下步驟在所述物質(zhì)中生成第二組空隙，所述第二組空隙的各組元對第二組預(yù)定點(diǎn)中的預(yù)定點(diǎn)子組之一形成包圍；所述第二組預(yù)定點(diǎn)限定第二個三維陣列，所述第二陣列中的所述各點(diǎn)與所述第二陣列中的12個且僅為12個相鄰點(diǎn)間隔相等的距離；所述第二陣列中的相鄰各點(diǎn)間的距離與所述第一陣列中相鄰各點(diǎn)間的距離相等；所述第一和第二陣列中的所述點(diǎn)是相互隔開的；所述點(diǎn)的子組為所述第二組點(diǎn)的四分之一，所述子組的各組元之間是等間隔的；所述第二組空隙的各組元與所述第一組空隙的相鄰組元相連通。
35.如權(quán)利要求34所述制造應(yīng)力定向結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包含下述步驟用一種材料填充所述空隙，該材料的剛度明顯小于所述結(jié)構(gòu)之物質(zhì)的剛度。
全文摘要
具有一組均勻空隙(12)的承載結(jié)構(gòu)，該承載結(jié)構(gòu)具有分解所施加的力的作用，其方式是在具有空隙(12)的材料中形成壓力而使中所產(chǎn)生拉力值小化。對于空隙(12)，要具備該功能就必須以特定的方式散開?？障?12)被散開，包圍一組特定的點(diǎn)。該組點(diǎn)是這樣的陣列中的每個點(diǎn)與該陣列中12個且僅為12個相鄰點(diǎn)間隔相等的距離。只要各點(diǎn)依照該原則均勻隔開，則各點(diǎn)間的距離無關(guān)緊要。若設(shè)想該結(jié)構(gòu)由密堆積的一組假想斜方十二面體(RD)組成，且每個這些假想RD之四棱頂點(diǎn)被截角，其結(jié)果將形成一組立方形空隙(12)。這些立方形空隙(12)的各中心限定所提到的陣列，而且立方形空隙(12)將用于形成應(yīng)力的最優(yōu)化分解，使材料中拉力的產(chǎn)生達(dá)到最小化。假想的即數(shù)學(xué)上的RD之四分之一可被刪除而能夠?qū)崿F(xiàn)相同的力分解，其結(jié)果使結(jié)構(gòu)包含較少的材料?？障?12)的形狀和大小而非位置，可以改變，而僅對最優(yōu)化的應(yīng)力分解造成輕微的損失。可以省略一些空隙(12)，而最優(yōu)化的應(yīng)力分解僅受輕微損失。
文檔編號F16S5/00GK1163647SQ95196226
公開日1997年10月29日 申請日期1995年10月20日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月14日
發(fā)明者查爾斯·R·歐文斯 申請人:查爾斯·R·歐文斯