CN101505887A - 多稳态结构构件以及形成多稳态结构构件的方法 - Google Patents

Abstract

公开了在各种结构应用中使用的多稳态结构构件(10)。构件(10)具有板形式。在第一构型(例如，展开构型)中，储存弹性应力的第一分布与至少两个增强皱折(12)保持平衡。在第二构型(例如，卷绕构型)中，这些皱折(12)变形以提供通过第二构型中的构件的形状保持平衡的储存的弹性应力的第二不同分布。第一和第二皱折是稳定的，但是能够可逆地互换。需要外力以在第一和第二构型之间引起转变。通过金属板的适当塑性变形可形成构件。还公开了用于形成这种多稳态结构构件(10)、具有多个多稳态构件的多稳态结构和多稳态组合件(3)的方法。

Description

多稳态结构构件以及形成多稳态结构构件的方法

本发明涉及多稳态结构构件及其形成方法。特别地但不专有地，本发明涉及双稳态结构构件特别是一种稳态构型是平面构型的双稳态结构构件。

WO 97/35706公开了可在两种状态之间设置的细长构件。第一状态是其中将构件卷绕使得其限定卷材轴的卷材。第二状态是展开状态，其中构件沿垂直于卷材的轴伸展为管状结构。当从第一状态伸展时，构件自发地采取第二状态。该文献中的细长构件是纤维增强复合物，该构件的特定双稳态性能由复合物基体中纤维的位置和取向以及纤维和基体之间的弹性模量差异提供。

WO 99/62811公开了WO 97/35706的技术的发展，其中，以采取弓形(而不是管状)的截面形状的展开状态来提供两个或三个可卷绕构件。所述可卷绕构件在它们的边缘处接合，使得它们一起对负载结构提供支撑。与WO 97/35706类似，构件由纤维增强复合材料形成。

WO 99/62812公开了WO 97/35706的技术的进一步的发展，其中，构件在表面上具有一个或更多个弹性突出鳍(fin)，所述鳍在构件处于卷绕状态时采取一种构型而在构件处于展开状态时采取另一构型。当构件在展开状态和卷绕状态之间设置时，鳍变形以使得卷绕相对较紧。然而，鳍本身不提供用于将构件设置成任一种状态的推动力。

US-A-5628069公开了具有双稳态弹簧元件的手套，提供双稳态弹簧元件用以帮助手套的手指弯曲。弹簧元件是细长的(约为人手指的尺寸)，并具有在伸长方向上为弓形形状和沿横向基本为直线的第一(封闭)状态以及在伸长方向上为直线和沿横向为弓形的第二状态。弹簧元件具有在伸长方向上形成的两个皱折(crease)，这些皱折使得元件稳定在第二状态，防止在没有外部影响的情况下结构变换为第一状态。

众所周知，形状记忆合金通常由于温度的变化可形成为能够在两种不同的形状之间可逆变换的结构。这种材料通常依赖于结晶马氏体相变以提供非永久性的、不可恢复变形的形状变化。然而，这种材料在它们的温度操作范围上极其受限，并且只有非常特定的合金成分才表现出这种效果，并且这种效果通常由温度变化所触发。此外，对形状记忆合金器件加入“记忆的”形状需要复杂和重复的机械加工。

K.Seffen在“Bi-stable concepts for reconfigurable structures”(45^thAIAA Structures，Structural Dynamics and Materials Conference，PalmSprings，California，19-22，2004年4月，No.2004-1526，通过引用将其全部内容并入本文)中讨论了薄板形式的双稳态金属结构的结构。在该文献中，说明了形式为薄金属板的浅双稳态圆顶(dome)阵列的效果。双稳态圆顶能够被推挤穿过板平面并被锁定在反向位置中，该变形是可逆的。作者指出，利用圆顶的不同的阵列和取向，可以得到不同的形状组合。该结构通过在两个厚的钢夹持板之间夹紧时效硬化的铍铜(CuBe)薄板(0.125mm)而制成。各夹持板具有当将板夹在一起时精确对齐的密集的六边形钻孔阵列。将直径与板孔相同的钢棒加工为具有圆头端，并用作冲孔工具。将可锁定的螺母旋入同一端附近的棒上以预设定冲孔深度。锤子或螺旋压力机可用于施力将棒推至预设的深度，并且在移除夹持板之前，以连续的方式从两侧冲压所有的孔。圆顶宽度为8.5mm，相邻的圆顶的边缘间隔2mm。

K.Seffen在“Mechanical memory metal：A novel material fordeveloping morphing engineering structures”(Scripta Materialia(2006)第55卷，number 4，411-414页，通过引用将其全部内容并入本文)中说明了双稳态屈曲(buckling)圆顶阵列的有限元分析。各圆顶(或凹坑)与其它的圆顶以复杂的方式相互作用，两者相邻并被去除。对于薄板中的圆顶的正方格子阵列，能够使板实现基本平面的形状，但是仅通过确保使交替的圆顶反转来实施。因此，如果板构件所要求的稳态构型之一是平坦的，那么只能通过将交替的圆顶压入反向位置来实现这一点，这是十分麻烦的。

本发明人认识到，能够形成一种双稳态(或者更通常是多稳态)结构构件，该构件可以可靠地采取大量的稳态结构中的一种并且只需相对小的干涉力。

在第一优选的方面中，本发明提供一种多稳态结构构件，该多稳态结构构件具有板的形式，并且具有第一构型和第二构型，在所述第一构型中，储存弹性应力的第一分布与至少两个增强皱折(corrugation)保持平衡，在所述第二构型中，使所述皱折变形以提供通过处于所述第二构型的所述构件的形状来保持平衡的储存弹性应力的第二不同分布，其中所述第一和第二构型是稳定的，但是能够可逆地互换，使得需要外力以在所述第一和第二构型之间引起转变。

这样，各构型中构件储存的弹性应力和形状的平衡导致各构型限定关于能量考虑的局部最小值，由此使得各构型在力学上稳定。对于处于一种构型的构件施加外部变形力，特别是如果该力朝向其它构型的形状，则如果外部变形力大于阈值水平，那么将导致构件转变为其它的构型。

在第二优选的方面中，本发明提供一种用于形成多稳态结构构件的方法，包括以下步骤：

使板构件塑性变形，从而形成至少两个增强皱折以增强第一构型；

使所述板构件向第二构型塑性变形，由此使所述皱折弹性变形并导致在板构件中形成与第二构型保持平衡的弹性应力第二分布；以及，

任选地，对处于第二构型的板构件施加力，以导致其采取其中储存弹性应力的第一分布与所述皱折保持平衡的第一构型。

本领域技术人员很容易理解可以以不同的次序实施第二方面的步骤。

因此，在第三优选的方面中，本发明提供一种用于形成多稳态结构构件的方法，包括以下步骤：

使板构件向第二构型塑性变形；

使所述板构件向第一构型弹性变形，然后使所述板构件塑性变形从而形成至少两个增强皱折以增强所述第一构型，以形成与所述皱折保持平衡的储存弹性应力的第一分布；以及

任选地，对处于第一构型的板构件施加力以使所述皱折弹性变形并导致在板构件中形成与第二构型保持平衡的弹性应力的第二分布。

以下阐述优选和/或任选的特征。除非上下文有其它要求，否则这些特征可以单独应用或与本发明的任意方面任意组合应用。

优选地，结构构件在第一构型中具有多于两个的增强皱折。例如，可存在三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、十二个、十四个、十六个、十八个、二十个或更多个增强皱折。皱折通常沿同一方向对齐，但皱折能够形成为相互之间具有小角度，并且沿径向从例如位于结构构件外部的名义位置(notional locus)的位置处突出。此外或者作为替代方案，皱折中的两个或更多个可重叠。优选但不必须的是，皱折中的一些或全部沿板构件延伸全部长度。在皱折中的一些或全部没有沿板构件延伸全部长度的情况下，皱折部分可限定铰接部分。

在板材中皱折的形成通常是由于板材塑性变形到板材的初始平面以外所致，该变形沿板的纵向伸展。通常，皱折是连续的(但不必一定如此)并伸展至板的纵向末端。多个皱折通常并排形成以为多个皱折提供“波长”。该波长(或皱折间隔)一般在皱折之间(沿与纵向横截的方向)是均匀的，但也可设想不均匀的皱折间隔。此外，皱折的幅度(深度)优选沿纵向和横向均是均匀的，但也可设想皱折幅度是沿横向变化的。

皱折的形成提供板构件的增强，以对抗所述板趋于围绕与皱折的纵向伸展方向不平行的弯曲轴来弯曲板的变形。由于这种增强从板的初始平面之外对板提供刚性支撑，所以该增强原理是很好理解的。

皱折可沿横向采取有角度的形式(例如，一系列的尖锐的峰和谷)，但优选为例如为正弦的或近正弦或半圆或近半圆的平滑皱折。

皱折可依次施加，使得各个皱折(第一个以外的皱折)沿横向在前一皱折之后形成。这种方式是优选的，这是由于可仔细地、孤立地、并且在不受同时出现在别处的皱折影响的情况下形成各个皱折，否则由于板的横向拉伸会导致不希望的附加应力。作为替代方案，皱折可同时施加。在这种情况下，通过同时沿板纵向地延伸所有的皱折并且同时允许通过形成皱折而导致的板的横向收缩来形成皱折。这可使用适当形状的轧辊的横向阵列来完成。作为替代方案，可使用用于逐渐增加皱折幅度的沿纵向的一系列的横向轧辊来形成皱折。

优选地，控制皱折的幅度(即，平面外(out-of-plane)深度)，使得皱折对第一构型提供足够的刚度，但使得皱折仍可变形以导致构件采取稳定的第二构型。皱折的幅度可以为板构件厚度的至少2倍(优选至少3倍)。这与皱折对第一构型提供的适当增强相当。皱折的幅度可以为板构件厚度的至少5倍(更优选至少10倍)。通常，随着板构件面积增加，还可期望增加皱折幅度以增强第一构型。

如所理解的那样，板构件的材料性能在确定第一和第二构型可用的形状的极限方面是重要的。对于第一和第二构型之间的转变，应在基本没有永久塑性变形的情况下发生，否则产品最多只具有有限的使用寿命。因此，板构件中的最大应力应不超过材料的屈服应力。如果皱折具有曲率半径r_corr，那么结构构件的第一构型应满足以下的不等式：

$r_{\mathrm{corr}}>\frac{\mathrm{tE}}{2\mathrm{YS}}$                  (不等式1)

其中，t是板厚，E是弹性模量，YS是屈服强度。

类似地，如果第二构型是卷绕构型，那么卷绕形状的曲率半径rroll应满足以下的不等式：

$r_{\mathrm{coll}}>\frac{\mathrm{tE}}{2\mathrm{YS}}$          (不等式2)

因此，如果希望形成具有紧密的皱折的第一构型和/或具有紧密卷绕形状的第二构型，那么优选使用具有高屈服强度和低弹性模量(即，高屈服应变)的材料。此外，结构构件应该是薄的，因此通常需要硬的材料(使得它尽管薄但仍可坚固)。

优选地，第一构型中的储存弹性应力比材料的屈服应力低。此外，优选第二构型中的储存弹性应力比材料的屈服应力低。考虑如果满足根据以上的不等式1和2的曲率半径，那么结构的双稳态所需要的最小的储存弹性应力通常比屈服应力低。

优选地，板构件的厚度为2mm或更小、更优选1.5mm或更小、1mm或更小、0.8mm或更小、0.6mm或更小、0.4mm或更小、0.3mm或更小或0.2mm或更小。

能够在不同的尺寸规模上形成优选的结构构件。例如，可优选微型的装置。板构件的厚度可以为0.5mm或更小、0.4mm或更小、0.3mm或更小、0.2mm或更小或0.1mm或更小。例如，板构件的厚度可以为90μm或更小、80μm或更小、70μm或更小、60μm或更小、50μm或更小、40μm或更小、30μm或更小、20μm或更小或10μm或更小。在一些情况下，板构件的厚度可以为5μm或更小、4μm或更小、3μm或更小、2μm或更小或者甚至1μm或更小。

在替代性实施方案中，板构件可显著厚于上述的范围。例如，板构件可具有1～5mm的厚度。

优选地，用于板构件的材料的弹性模量为至少50GPa、更优选至少70GPa。

优选地，用于板构件的材料的屈服应力为至少400MPa、更优选至少600MPa。

优选地，对于第二构型可实现的r_roll的值为50mm或更小。在某些实施方案中，小到20mm的r_roll的值是可能的。在其它的实施方案中(特别是在使用薄板材料的实施方案中)，r_roll可以更小，例如为20mm或更小、15mm或更小、10mm或更小、5mm或更小、2mm或更小或1mm或更小。对于一些实施例，r_roll可以更小，例如，为800μm或更小、600μm或更小、400μm或更小、200μm或更小、100μm或更小、80μm或更小、60μm或更小、40μm或更小、30μm或更小或20μm或更小。

对于某些实施方案，r_roll可以大于上述的范围。例如(特别是对于较厚的板材)，r_roll可以为5cm或更高、10cm或更高、15cm或更高或20cm或更高。

多稳态结构构件能够具有第三稳态构型。它可以是与第一构型类似(尽管不相同)的构型。然而，优选多稳态结构构件仅具有两种稳态构型，因此是双稳态结构构件。

优选地，第一构型是平坦化的构型。在该构型中，优选皱折采取基本上直的纵向形状。例如，平坦化构型中皱折的峰优选沿着基本直线设置。此外，优选皱折中的峰彼此位于基本相同的平面上。当然，该平面不与皱折之前的板的初始平面相同。此外，由于构件可具有横向上不同的幅度的皱折，因此这些峰不需要彼此位于精确相同的平面上。

优选地，第二构型是管状构型。在该构型中，围绕与第一构型的皱折的纵向不同的方向的轴卷绕(或部分卷绕)所述构件。最优选地，管轴与皱折的纵向基本上垂直。

对于第二构型可具有的匝数没有特别的限制。对于诸如提供铰链的应用，优选小于一匝(例如0.01～0.3匝或约四分之一匝或者最多半匝)。对于要求第二构型是储存构型的应用，可以具有一匝、两匝、三匝、四匝、五匝或更多匝。

在多稳态结构构件的制造过程中，可产生第三构型。特别地，如果在使板向第二构型变形之前制造皱折，那么得到的第一构型可具有一定程度的偏离理想的平坦化构型的扭曲。在该情况下，可能存在与第一构型类似但具有不同(例如相反)的扭曲状态的相应的第三构型。优选地，结构构件的制造包括再次形成优选包括某些程度的塑性变形的皱折的附加步骤。事实上，这包括与初始的皱折步骤类似的压制或轧制步骤，优选精确地覆盖已形成的皱折，或者增加已形成的皱折的幅度。该附加步骤的显著效果在于，第一构型可校正为平坦化构型，并且第三构型可去除，从而留下双稳态结构元件。

优选地，板为例如由金属合金形成的金属板。优选的材料为铜铍合金和诸如不锈钢或弹簧钢的钢，但本发明具有比这更宽的应用。最优选的是具有高拉伸强度(弹性极限)的材料，该材料在超过该极限时是高度可加工的。而且，材料应具有高的疲劳强度和高的蠕变强度(特别是在室温或其它的操作温度下)。

虽然优选的材料是各向同性的，但是材料不必是各向同性的。例如，可通过接合不相类似的材料的板并如上所述的那样施加皱折来形成适当的复合板结构。除了由不相类似的材料形成以外或者作为其替代方案，接合的板可具有不同的受控制的预应力。还可以例如通过蚀刻以产生沿板材的厚度变化，从而将异质性引入板材中。

结构构件虽然允许第一和第二构型之间的重构，但优选为单件板。

结构构件本身可形成较大结构的构成部分。例如，它可形成具有一个或更多个非多稳态区域的一体化结构的一部分。这种结构可以为例如通过一个或更多个多稳态区域接合的镶合板(sheet panel)。第一和第二构型之间的多稳态区域的激活，而不需要复杂的离散铰链和其它的联接方式允许用于整个结构的展开和储存构型。

本文提及的第一和第二构型之间的重构不依赖于晶相转变(在形状记忆合金和超弹性合金中进行可逆形状变化所需要的)。反而，这些稳态形状之间的重构需要在板材中产生储存弹性应力，该弹性应力与在不同的构型中的板的不同整体形状所提供的刚度保持平衡。因此，由于适当的材料不需要表现出晶相转变，所以本发明具有比上述特定形状记忆合金宽得多的材料适用性。此外，可不必通过常规的机械加工来提供在材料中包含的残余应力。能够通过其它的方法在材料中储存适当的残余应力。

本发明对于受益于具有可逆地可与管状(卷绕)构型互换的平坦化构型的结构和装置具有特别的适用性。例如，平坦化构型可用于展开(使用)，而管状构型可用于储存和运输。一种特定的应用是用于计算机和/或娱乐装置的柔性显示器。

在第四优选的方面中，本发明提供一种包含至少两个根据第一方面的多稳态结构构件的多稳态结构组合件。

优选地，多稳态结构构件至少部分相互覆盖并在一个或更多个接触点处相互连接。该连接可通过诸如焊接、螺栓连接、胶粘等的任意适当的固定方式来实现。

优选地，结构组合件具有与处于其第一构型中的结构构件相对应的第一构型。类似地，结构组合件优选具有与处于其第二构型中的结构构件相对应的第二构型。

在各结构构件的第一构型中，优选结构构件的皱折基本上是对齐的。这样，结构构件之间的接触点可设置为沿着相邻的结构构件的邻接皱折排列。可通过在这些接触点或接触线上提供固定实现结构构件相互之间的连接。

以这种方式使用结构构件的组合件的优点在于，组合件的刚度可明显大于各单个结构构件的刚度。已经发现，由于组合件的厚度明显大于各个板的厚度，因此将组合件轧制成第二构型趋于限制组合件的长度。因此，优选地，第一构型中的组合件具有不小于结构长度的宽度，该宽度沿与第二构型的卷绕轴平行的方向测量。更优选地，该宽度为所述长度的至少5倍或者甚至至少10倍。这样，组合件的第二构型可具有在承载应用发面受到关注的细长的管状构型，第一构型为储存构型。还可以储存处于第一构型中但是沿与第二构型的轧制方向垂直的方向进行轧制的组合件。优选第一构型的组合件的深度为第一构型中的组合件的宽度的至少四分之一、优选至少一半、最优选与该宽度相同。

附图说明

参照附图通过实施例说明本发明的优选实施方案，其中：

图1显示根据本发明一个实施方案的结构构件的第一构型的示意图。

图2显示在第一和第二构型之间转变的图1的结构构件的示意图。

图3显示图1的结构构件的第二构型的示意图。

图4显示图1的结构构件的任选的第三构型的示意图。

图5显示图1的结构构件的任选的替代性第三构型的示意图。

图6显示根据本发明的一个实施方案的结构组合件的示意图。

图7、图8和图9显示根据本发明的一个实施方案的原型结构组合件的不同示图。

具体实施方式

图1显示处于第一构型的结构构件10。结构构件10具有沿纵向延伸的皱折12。皱折延伸在结构构件的全部长度上，但可以设想仅在构件的长度的一部分上形成皱折，或者可断续地形成皱折。皱折也形成跨过结构构件的整个横向宽度。

由于皱折本身基本上是线性的即每个皱折具有基本未直线的脊部，因此，尽管存在皱折，但是第一构型被认为是“平坦化”构型。与各皱折相关的基本上直的线优选但未必位于基本相同的平面中。这样，第一构型可用于为诸如显示屏的可配置装置提供平面基板或骨架。

通过采用通常为具有例如以下实施例中阐述的材料性能的金属材料的平板材料，并通过使板塑性变形(例如施加比屈服应力大的应力)而在板的整个宽度上依次在板中形成各个皱折，从而形成结构构件。通过使用具有在相应成形的谷(valley)工具中接收的第一脊(ridge)工具的简单结构的压力机以将单个皱折限定为变形材料的波形从而形成各皱折，该变形材料在波形的多个部分中从板材的原始平面向上变形，并在波形的其它部分中从板材的原始平面向下变形。在图1中示意性地示出在板的整个宽度上依次沿横向实施几次这种压制操作的结果。

在使板塑性变形以形成皱折时，一旦皱折压力机的压力去除，就会存在材料的一些弹性回复。尽管如此，仍保留明显的塑性变形(如图1所示)。皱折的效果是众所周知的，即，得到的结构具有明显比相同材料的原始平板更大的刚度(这里是指沿图1中的箭头A所示的方向的弯曲抗力)。这种增加的刚度在很大程度上是由于皱折的工程增强效果所致。

方法的下一阶段是使皱折板塑性变形为第二构型。在此，通过围绕所希望的直径的心轴进行轧制，使皱折板变形。该变形响应明显超过由皱折提供的刚度的增加的弯曲应力。结果是，结构构件采取与第二构型对应的卷绕(或部分卷绕)结构。

在变形之后，构件将再一次存在一些弹性回复。皱折在该构型中消失(但在一些情况下在近距离检查时可能皱折的一些残迹是可辨别的)。然而，该变形的结果是构件中的复杂的储存的弹性应力(它们是“膜应力”)的分布，该弹性应力的精确配置强烈依赖于构件的机械处理历史。

储存的弹性应力的分布将称为储存的弹性应力的第二分布。该分布促使第二构型的结构变为第一构型(平坦化皱折板)。然而，第二构型的结构构件的形状提供对抗向第一构型的变形的增强。因此，第二构型的结构是稳定的，但是可通过施加适当的附加应力(例如，通过手)诱发为第一构型。这样，结构构件可展开回到第一构型，当在能量上有利时，皱折在构件中重新出现。当它们重新出现时，皱折再次增强结构。由于现在存在促使结构变回到第二构型的储存的弹性应力的第一分布(与第二分布不同)，所以这是必然的。通过由皱折提供的增强防止这一点，但是结构可通过附加应力的施加(例如，通过手)重新被卷绕成第二构型。这样，结构是双稳态的。

可以发现，在许多情况下，对于不同的材料，以上的过程不总是产生图1所示的平坦化的带皱折的第一构型。反而，形成其中结构构件的总体形状可视为形成名义上的圆筒的壁的一部分的第三构型(通过图4和图5的不同的“状态(sense)”示出)，但是皱折不与圆筒的主轴平行。通常，可通过施加附加应力在图4和图5所示的状态之间设置构件。对于许多应用，这种第三构型是不期望的。

本发明人已经发现，能够通过以下步骤可靠地去除结构构件具有这种第三构型的趋势：在使构件塑性变形为第二构型并使构件返回第一构型之后，实施与上述的第一皱折操作类似的皱折操作，重新并沿与最初相同的方向压制各皱折。事实上，这重复初始形成的皱折。在该步骤中通常不形成附加的皱折。该机械加工的效果是产生少量的塑性变形。结果是，第一构型的构件被平坦化(如图1所示的那样)并且没有出现第三构型。认为重复皱折步骤的效果是微调储存的弹性应力的第一分布，使得皱折和储存的弹性应力的第一分布保持平衡以给出稳定的平坦化的带皱折的形状。

图2表示第一和第二构型之间的转变中的图1的结构构件的示意图。它是由强制构件的端部14向第二构型的局部形状变化的外加应力(例如，通过手)导致的。在构件的该部分上，储存的弹性应力的第一分布和附加的外加应力的组合足以克服皱折的增强效果，并且构件局部变成(snap)为第二构型，皱折如图2所示的那样基本上消失，直到局部化的第一和第二构型之间的过渡区域18。在某些实施方案中，图2所示的结构是准稳态的，其中，能够将结构构件变形成部分处于第一和第二构型之间的形状，并且该构件能够在没有外加应力的情况下基本上无限期地保持该形状。然而，对于许多实施方案，图2所示的形状仅是暂时的，构件在没有外加应力的情况下返回第一构型或完全变成第二构型。构件的行为通常依赖于构件选择第一构型优先于第二构型(或者相反)，该优先选择进而依赖于储存的弹性应力的第一和第二分布和皱折的增强效果以及第二构型的总体形状。可通过从下述的实施例开始适当地选择第二构型中的板厚、皱折深度、皱折数量和匝数以调整这些性能。

图3表示图1的构件处于第二构型的示意图。可以看出，此时皱折是不可见的。在该第二构型中，构件具有小于1匝但多于半匝的卷绕形状。

图6表示根据本发明的一个实施方案的多稳态结构组合件30的示意性部分分解图。组合件由五个多稳态结构构件32、34、36、38、40形成。为了清楚起见，单独地示出附加的多稳态构件42。在本实施方案中，各个多稳态构件与第一实施方案的多稳态构件10的类似在于，它是具有稳定的、平坦化的第一构型以及稳定的卷绕的第二构型的皱折板。各个构件具有沿构件的伸长方向延伸的皱折52。在组合件中，相邻构件的皱折设置为具有反相位(out of phase)，使得一个构件的向上皱折的上表面接触向下皱折的下表面。对准构件，使得在皱折处形成接触线，如图6中的虚线44所示。在这些接触线处，相邻的构件固定在一起。这可通过诸如螺栓连接、焊接、钎焊、铜焊、胶粘等的任何适当的固定手段来实现。为了强度，优选提供连续的接缝的固定方案(例如，焊接)。这样，组合件具有构件具有它们的第一构型的第一构型和构件具有它们的第二构型的第二构型。由于从提供远离中性轴的材料得到大的工程刚度贡献，因此提供几个构件使得至少第一构型明显比各构件的刚度更大。

优选使用组合件使得第二管状构型是展开的构型和第一构型是储存构型。组合件可用于例如展开天线(例如，用于空间飞行器)或用作临时的脚手架、杆或管。

图7～9表示根据本发明的一个实施方案的原型组合件的照片。该组合件由三个皱折构件形成，每个皱折构件由下述的铜铍合金形成。在该原型中，通过螺母和螺钉的阵列使构件相互固定，使得接触点可容易地看到。

在图7中，示出手工固定成第一构型的组合件。基于以上解释的原因，处于该构型的组合件具有明显的刚度。

在图8中，示出在第一和第二构型之间转变的组合件。在没有外力的情况下，组合件可保持该构型。

在图9中，示出完全处于第二构型的组合件。

实施例1

将厚度为0.125mm的平整的铜铍板(1.8～2.0wt％的Be、0.2wt％的Co+Ni和余量的Cu，可从Brush Wellman，Fairfield，NJ，USA作为合金25获得)在315℃的温度下时效硬化3小时。得到的板具有约1200MPa的屈服强度和130GPa的弹性模量。如上面阐述的那样形成深度为2～5mm、宽度为10～20mm的皱折。然后，通过围绕圆柱芯棒(mandrel)卷绕使板变形以获得曲率半径r_roll为7mm的卷绕的第二构型。然后，构件展开回到第一构型，并且重复皱折步骤。从而得到可很容易转变成第二构型的稳定的、平坦化的第一构型，反之亦然。

实施例2

提供平整的垫片钢板，将其制成BS1449并在硬回火(hard temper)中冷轧。组成为0.12％的碳、0.6％的锰、0.05％的硫和0.05％的磷，余量为铁(所有的百分比均为重量百分比)。板厚为0.1mm。除了第二构型具有30mm的r_roll以外，实施在实施例1中说明的类似步骤。

实施例3

提供用于航空器结构中的通常的铝合金板(合金7075)，该合金包含1.2％的铜、2.1％的镁、0.18％的铬、5.1％的锌，余量为铝(所有的百分比均为重量百分比)。板为1mm厚。至T6回火时，该材料具有503MPa的屈服强度和71GPa的弹性模量。除了第二构型具有70mm的r_roll以外，实施在实施例1中说明的类似步骤。

实施例4

提供厚度为0.31mm的钛合金Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al板。退火后，该材料具有965MPa的屈服强度和82GPa的弹性模量。除了第二结构具有13mm的r_roll以外，实施在实施例1中说明的类似步骤。

结构构件的建议应用

最初设想主要的结构能力来自平坦化状态而弯曲状态促进紧凑储存(我们将其称为模式I)。在考虑之后，很显然，可望应用开发相反的特征，即，弯曲状态是主要的承载状态而平坦化状态是第二位的(模式II)，或者，事实上，两种状态在结构上均是迅速完成的(模式III)。此外，功能可能源自构型之间的屈曲、自推进转变(模式IV)。因此，四种操作模式被视为潜在有益的应用。以下的装置的暂定列表目的为强调使用范围。本领域技术人员很清楚该列表并不是详尽的。

民用工程(建筑/运输基础设施)

●遮蔽物(内部)和可变的建筑物外立面(外部)，用于控制热和光照条件(模式III)

●外部店遮篷(模式I)

●开合体育场顶盖(模式III)

●临时的隔墙(模式I)

●出口/救生滑槽(模式I)

●安全井盖(模式I)

●临时行车桥(模式I)

●用于运输/货物分配的可伸展进料台(模式I)

航空/机械工程

●船舶、地面车辆和空间飞行器中的变形的航空/流体动力学表面(模式III)

●用于空间飞行器的可展开的太阳能面板垫(模式I)

●敞篷车车顶(模式III)

●可重新配置的包装(模式III)

电子工程

●用于便携式媒体设备的柔性显示器支撑物(模式I)

●可卷起的QWERTY键盘和音乐合成器键盘(模式I)

多媒体支持

●便携式显示器/投影仪/白板(模式I)

●可折叠的桌子/台子/椅子(模式II)

休闲

●用于外出捆绑功能的个人行李架(personal trekking bridge)(模式I)

●可折叠的露营桌(模式I)

●“携带席垫(Carry-mat)”-用于使睡眠用的卷绕结构变刚硬(模式I)

●可折叠的冲浪板和水上气垫(模式I)

●用于使运动服装一体化的柔性盔甲(模式III)

●新型玩具(模式III)

●艺术品安装/动态雕塑(模式I、II、III、IV)

双稳态铰链

●书脊(bookspline)(模式III)

●眼镜腿铰链(模式III)

快速制动容器

●对动物友好的身体捕捉器(trap)(模式IV)

●从平整折叠为圆筒的手提箱(模式II)

●如上所述的轻量化的垃圾容器(模式II)

其它

●瞬时动作减轻过载的机械熔丝(模式IV)

已通过实施例说明了以上的实施方案。这些实施方案的修改、其它的实施方案以及它们的修改对于阅读了本公开内容的本领域技术人员而言是显而易见的，并且在本发明的范围内。

Claims (17)

1.一种多稳态结构构件，其具有板的形式，并且具有第一构型和第二构型，在所述第一构型中，储存的弹性应力的第一分布与至少两个增强皱折保持平衡，在所述第二构型中，使所述皱折变形以提供通过处于所述第二构型的所述构件的形状来保持平衡的储存的弹性应力的第二不同分布，其中所述第一和第二构型是稳定的，但是能够可逆地互换，从而使得需要外力以在所述第一和第二构型之间引起转变。

2.根据权利要求1的多稳态结构构件，其中，具有横向穿过处于所述第一构型的结构构件布置的至少四个增强皱折。

3.根据权利要求1或2的多稳态结构构件，其中，所述皱折是平滑的皱折。

4.根据权利要求1～3中的任一项的多稳态结构构件，其中，控制所述皱折的幅度使得所述皱折对所述第一构型提供足够的刚度，但使得所述皱折仍可变形以导致所述构件采取稳定的第二构型。

5.根据权利要求1～4中的任一项的多稳态结构构件，其中，所述第一构型是平坦化的构型。

6.根据权利要求5的多稳态结构构件，其中，在所述平坦化构型中，所述皱折采取基本直的纵向形状。

7.根据权利要求5或6的多稳态结构构件，其中，在所述平坦化构型中，所述皱折的峰彼此位于基本相同的平面中。

8.根据权利要求1～7中的任一项的多稳态结构构件，其中，所述第二构型是管状或卷绕构型。

9.根据权利要求1～8中的任一项的多稳态结构构件，其中，所述板是金属板。

10.一种多稳态结构，具有一个或更多个单稳态区域和一个或更多个任选成为一体化的根据权利要求1～9中的任一项的多稳态结构构件。

11.一种用于形成多稳态结构构件的方法，包括以下步骤：

使板构件塑性变形，以形成至少两个增强皱折以增强第一构型；

使所述板构件向第二构型塑性变形，由此使所述皱折弹性变形并导致在所述板构件中形成与所述第二构型保持平衡的弹性应力的第二分布；以及，

任选地，对处于所述第二构型的板构件施加力，以导致其采取其中储存的弹性应力的第一分布与所述皱折保持平衡的所述第一构型。

12.一种用于形成多稳态结构构件的方法，包括以下步骤：

使板构件向第二构型塑性变形；

使所述板构件向第一构型弹性变形，然后使所述板构件塑性变形从而形成至少两个增强皱折以增强所述第一构型，从而形成与所述皱折保持平衡的储存的弹性应力的第一分布；以及，

任选地，对处于所述第一构型的板构件施加力，以使所述皱折弹性变形并导致在所述板构件中形成与所述第二构型保持平衡的弹性应力的第二分布。

13.根据权利要求11或12的方法，其中，依次施加所述皱折。

14.根据权利要求11或12的方法，其中，通过在沿所述皱折的纵向程度上逐渐使所述板同时塑性变形为皱折来施加所述皱折。

15.根据权利要求11～14中的任一项的方法，还包括在使所述构件从所述第二构型返回所述第一构型之后再次形成所述皱折的附加步骤。

16.根据权利要求15的方法，其中，在所述附加步骤中，存在施加于所述板的非零塑性变形量。

17.一种多稳态结构组合件，具有多个相互固定的根据权利要求1～9中的任一项的多稳态结构构件。

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