CN103712052B - 一种可卷曲的薄壁支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可卷曲的薄壁支撑结构，第一弹性凸面薄壁件（2）与第二弹性凸面薄壁件（3）相对设置且所述的第一弹性凸面薄壁件（2）的底面与所述的第二弹性凸面薄壁件（3）的底面固定连接形成结合部（4），形成一个抗弯惯性矩和抗扭惯性矩较大的薄壁结构(1)，所述的薄壁结构(1)的纵向端部连接在一个卷轴(5)上。该结构在使用时，其可以从卷轴上拉伸出或者从转盘取出展开后，通过自身的弹性回复力自动绷直，膨胀成一个抗弯和抗扭惯性矩较大的中空薄壁管体，其能承受较大的弯矩和轴向压力，而不会失稳或者破坏。当该结构使用完毕后，将薄壁结构沿叠合面叠合卷缩回去，或者在一定曲率半径的卷筒上卷收，因此该结构所占用的空间较小，便于收藏。

Description

一种可卷曲的薄壁支撑结构

技术领域

本发明涉及一种支撑结构，特别是涉及一种可卷曲的薄壁支撑结构。

背景技术

近几年，柔性屏幕以其轻便灵活、抗弯能力强的特点，得到了越来越广泛的关注，相应的专利数量也在不断增多。而更值得关注的是设计更为薄的可卷曲柔性屏幕，其空间利用率和可视面积更大、可设计性更加灵活。但可卷曲柔性屏幕在应用中往往需要配有支撑骨架才能保持稳定的形状，否则容易损坏且不便于使用。目前的支撑骨架有中国专利200710094197.X采用伸缩拉杆作为支撑骨架，(圆形拉杆和方形拉杆)。

荷兰创造者科技有限公司国际专利WO2009/148313，在中国申请的专利200980130170.9采用折叠杆作为支撑骨架。但是这些方法较笨重，而不够轻便,也不够美观。又如美国专利US20040052037A1，该专利利用C型截面卷尺状结构做为骨架，C型截面卷尺状结构由凹面向凸面方向弯曲(悬臂状态弯曲)时，其具有有一定的刚度；但是反方向(凸面向凹面弯曲)弯曲时，非常容易失稳，其刚度几乎为零，因此这种结构只能在一个方向承受较低的弯矩，同时这种结构无法承受轴向的压力，抗扭刚度也非常低。

目前不锈钢伸缩导游旗杆、教学用教鞭、收音机和手机天线等采用拉杆式结构骨架。而拉杆式结构，缺点是结构复杂，加工不便，材料用量大，占用空间大，不够轻便，容易损坏。

水准尺采用抽拉式铝制杆，比较笨重，节点处很容易坏，尺杆在抽拉时很容易损坏，导致测量出现较大的误差。C型截面的卷尺在一个方向有一定的刚度，反方向就没有了，因此使用者在量测高度方向时，尺身无法承受自身的轴向压力，导致量测高度受限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在使用时能从卷轴上拉伸出或者从转盘取出展开后，通过自身的弹性回复力自动绷直，膨胀成一个抗弯和抗扭惯性矩较大的中空薄壁管体，当该结构使用完毕后，将薄壁结构沿叠合面叠合卷缩回去或者在一定曲率半径的卷筒上卷收的可卷曲的薄壁支撑结构。

为了解决上述技术问题，本发明提供的可卷曲的薄壁支撑结构，第一弹性凸面薄壁件与第二弹性凸面薄壁件相对设置且所述的第一弹性凸面薄壁件的底面与所述的第二弹性凸面薄壁件的底面固定连接形成结合部，形成一个抗弯惯性矩和抗扭惯性矩较大的薄壁结构。

所述的第一弹性凸面薄壁件和所述的第二弹性凸面薄壁件在所述的结合部的结合方式有：粘结剂粘结、焊接、高温熔合、高弹薄壁管压制成或者铆接。

所述的第一弹性凸面薄壁件和第二弹性凸面薄壁件在压力作用下，两者沿叠合面叠合成易被卷曲或者易被弯曲的薄层，卸除压力后，两者在自身的弹性回复力作用下恢复成原来设定的管体形状。

所述的第一弹性凸面薄壁件和第二弹性凸面薄壁件的截面的任意点的曲率满足以下关系式：

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\≤\frac{4{\mathrm{\σ}}_e}{Eh}$

其中：h为两个薄壁件的叠合厚度，或者为单个弹性凸面薄壁件的两倍厚；

E为薄壁件的弹性模量；

ρ为单个薄壁件中性层的曲率半径；

为薄壁件截面的任意点曲率；

σ_e为两薄壁件的弹性极限值。

所述的第一弹性凸面薄壁件和所述的第二弹性凸面薄壁件的材料采用合金高弹性高强度金属材料或高弹性、低塑性的塑料或者纤维增强塑料材料。

所述的合金高弹性高强度金属材料为不锈钢高弹性材料、记忆合金或钛合金。

所述的高弹性、低塑性的塑料或者纤维增强塑料材料为玻璃纤维增强高弹塑料或碳纤维增强高弹塑料。

所述的薄壁结构的纵向端部连接在一个卷轴上。

所述的第一弹性凸面薄壁件和第二弹性凸面薄壁件的两侧边缘以结合部形式结合，也可以将两者的端部以结合部形式结合，形成两端封闭或者一端封闭的空心管体，端部侧面投影形状为尖灭形状。

所述的第一弹性凸面薄壁件和所述的第二弹性凸面薄壁件展平后的形状是长边矩形、长腰三角形或长腰梯形。

所述的薄壁结构是单腔管体或多腔管体。

采用上述技术方案的可卷曲的薄壁支撑结构，当第一弹性凸面薄壁件和第二弹性凸面薄壁件在压力作用下，两者向中心轴逐渐靠近，绕y轴的截面抗弯惯性矩逐渐减少，最后在足够的压力下叠合。结构处于叠合展平状态，此时绕y轴的截面抗弯惯性矩非常少，薄壁结构沿纵向变得非常柔软，从而可以在设计的最小半径的卷轴上卷曲，且薄壁件越薄，就越容易卷曲。而薄壁结构从卷轴上拉伸出后，离开卷轴的部分就会自动回复到原来设定的管体形状，即弹性恢复的自然状态。形状恢复成管体状的薄壁结构，其可以承受足够大的弯矩(绕y轴)和轴向压力(沿x轴向)，即便超出本结构的受力极限，也会突然失稳，使第一弹性凸面薄壁件与第二弹性凸面薄壁件叠合弯曲，释放压力，从而不会被破坏。薄壁结构在被卷收时，卷轴的半径应该在大于等于最小设计半径，使结构能在弹性范围变形，使卷曲后的结构能回复到原来未卷曲的形状；即卷曲半径应该使结构的每个部分都应该处在弹性变形状态，否则就会时结构出现塑性变形或者破坏，无法恢复到原来的形状。

综上所述，本发明在使用时，该结构从卷轴上拉伸出或者从转盘取出展开后，通过自身的弹性回复力自动绷直，膨胀成一个抗弯和抗扭惯性矩较大的中空薄壁管体，其能承受较大的弯矩和轴向压力，而不会失稳或者破坏。当该结构使用完毕后，将薄壁结构沿叠合面叠合卷缩回去，或者在一定曲率半径的卷筒上卷收，因此该结构所占用的空间较小，便于收藏。

附图说明

图1是本发明的未结合状态示意图。

图2是本发明的结合状态示意图。

图3是本发明的在足够的压力下叠合状态示意图。

图4是本发明的结构处于叠合展平状态示意图。

图5是本发明的弹性恢复的自然状态示意图。

图6是本发明的薄壁结构在卷轴上卷曲过程示意图。

图7是本发明的薄壁件的截面形状曲线为多腔管体示意图。

图8是本发明的薄壁件的两端缩小尖灭形状侧面投影图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1和图2，第一弹性凸面薄壁件2与第二弹性凸面薄壁件3相对设置且所述的第一弹性凸面薄壁件2的底面与第二弹性凸面薄壁件3的底面固定连接形成结合部4，形成一个抗弯惯性矩和抗扭惯性矩较大的薄壁结构1，薄壁结构1的纵向端部连接在一个卷轴5上。

如图1，第一弹性凸面薄壁件2与第二弹性凸面薄壁件3处于未结合状态。如图2所示，第一弹性凸面薄壁件2与第二弹性凸面薄壁件3在两侧的结合部4结合，形成一个抗弯惯性矩和抗扭惯性矩较大的薄壁管体。当两薄壁件在压力9作用下，如图3所示，两者向中心轴8逐渐靠近，绕y轴的截面抗弯惯性矩逐渐减少，最后在足够的压力下叠合。如图4所示，结构处于叠合展平状态，此时绕y轴的截面抗弯惯性矩非常少，薄壁结构1沿纵向变得非常柔软，从而可以在设计的最小半径的卷轴5上卷曲，且薄壁件越薄，就越容易卷曲。而薄壁结构1从卷轴5上拉伸出后，离开卷轴5的部分就会自动回复到原来设定的管体形状，即弹性恢复的自然状态，如图5所示。薄壁结构(1)在卷轴5上卷曲过程如图6所示。

形状恢复成管体状的薄壁结构1，其可以承受足够大的弯矩(绕y轴)和轴向压力(沿x轴向)，即便超出本结构的受力极限，也会突然失稳，使第一弹性凸面薄壁件2与第二弹性凸面薄壁件3叠合弯曲，释放压力，从而不会被破坏。薄壁结构1在被卷收时，卷轴5的半径应该在大于等于最小设计半径，使结构能在弹性范围变形，使卷曲后的结构能回复到原来未卷曲的形状；即卷曲半径应该使结构的每个部分都应该处在弹性变形状态，否则就会时结构出现塑性变形或者破坏，无法恢复到原来的形状。

第一弹性凸面薄壁件2与第二弹性凸面薄壁件3在卷曲过程中，两者在结合部4处存在剪切，薄壁件自身在长度方向也存在剪切应力。设结合部4的属于弹性剪切，在结合部4的结合面7的平均剪应力值：

$\mathrm{\τ}=\frac{hEA}{4rxl}$

其中：h为两薄壁件的叠合厚度；

E为两薄壁件的弹性模量；

A为一个薄壁件的横截面面积；

r为卷轴(5)的半径；

x为两侧结合部4的总宽度，如图2所示；

l为薄壁卷曲结构长度。

从上式可看出，h、E、A越大，结合部4处的剪应力就越大；r、x、l越小，结合部4处的剪应力就越大。而该结构的剪应力分布不均，在结构的长度方向，两端的结合部4处的剪应力大于靠中部的结合处；在薄壁件的横截面上，从中间部位向两侧，剪应力逐渐增大。如果剪应力值超过结合部4的结合强度或者屈服值，第一弹性凸面薄壁件2与第二弹性凸面薄壁件3出现破坏或者产生塑性变形，因此薄壁结构1的各处应力值应该小于或等于材料能保持弹性的应力极限值。

结合部4的宽度视结合强度而定，如果结合强度不低于薄壁件的自身强度时，可取两侧结合部4的总宽度x≥h。

第一弹性凸面薄壁件2与第二弹性凸面薄壁件3在结合部4的结合方式有：

1)粘结剂粘结，最好采用强度高，模量与薄壁件相近的粘结剂粘合，以保证粘合质量；

2)焊接，钢材、记忆合金可采用此方式；

3)高温熔合，可应用于高弹塑料、纤维增强塑料等材料；

4)高弹薄壁管压制成薄壁结构1这种形状；

5)铰接或者铆接；

第一弹性凸面薄壁件2与第二弹性凸面薄壁件3的材料可以采用金属材料，如不锈钢高弹性材料，记忆合金、钛合金等合金高弹性高强度材料；还可以采用高弹性、低塑性的塑料或者纤维增强塑料材料，高弹性、低塑性的塑料如TPE塑料、PU塑料、PET塑料，纤维增强塑料如玻璃纤维、碳纤维等纤维增强高弹塑料。

第一弹性凸面薄壁件2或第二弹性凸面薄壁件3的截面形状曲线，如图2和图7，薄壁结构1在设计和制作时，将两薄壁件形成的尖角6的角度设定很小，使第一弹性凸面薄壁件2与第二弹性凸面薄壁件3不管在压合或者卷曲时，尖角6处的部位都会出现较小的弯曲应力，都能在弹性范围内变形。整个第一弹性凸面薄壁件2和第二弹性凸面薄壁件3的截面用适宜的圆弧或者缓和曲线过度弯折处，因此第一弹性凸面薄壁件2和第二弹性凸面薄壁件3的截面的任意点的曲率满足如下关系式^【1】：

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\≤\frac{4{\mathrm{\σ}}_e}{Eh}$

其中：h为两个薄壁件的叠合厚度，或者为单个弹性凸面薄壁件的两倍厚；

E为薄壁件的弹性模量；

ρ为单个薄壁件中性层的曲率半径；

为薄壁件截面的任意点曲率；

σ_e为两薄壁件的弹性极限值。

当薄壁件截面的任意点曲率满足上式时，就可以避免因折角或曲率较小而导致薄壁件压合时出现塑性变形或者破坏情况。

第一弹性凸面薄壁件2或者第二弹性凸面薄壁件3的截面形状在自然状态可以沿中心轴对称，也可以不对称，但必须能沿中心轴叠合展平。第一弹性凸面薄壁件2和第二弹性凸面薄壁件3展平后的形状可以是长边矩形、长腰三角形、长腰梯形等形状，两端的形状可以是扁平的鸭嘴形状。第一弹性凸面薄壁件2和第二弹性凸面薄壁件3的两侧边缘以结合部4形式结合，也可以将两者的边缘全部以结合部4形式结合，形成两端封闭或者一端封闭的空心管体，端部侧面投影形状为尖灭形状，如图8所示。

如果将本发明制成细纤维作为增强体，更适合作为专利200980130170.9的柔性显示器的加强件，可以代替该专利所述的加强件。因为薄壁结构1在卷曲时叠合变柔软，展开后膨胀成薄壁管而变得强劲，从而使柔性显示器在卷曲时变薄变柔软，展开时变厚变硬，因此本发明作为加强件更加适合加固专利200980130170.9中的加强件。

如图2，薄壁结构1可以是单腔管体，如图7所示，还可以是多腔管体，其可以用于卷曲屏幕的底板，可保护屏幕。

如图5，薄壁结构1叠合后的面在x-z平面投影为直线，即叠合后为平面；若有需要，薄壁结构1叠合后的面在x-z平面投影为圆弧之类的曲线，即叠合后为曲面，当第一弹性凸面薄壁件2与第二弹性凸面薄壁件3在长度方向用料长度不一样长，但两端平齐，就会使薄壁结构(1)叠合后为曲面这种情况。

如果做卷尺的尺身，薄壁结构1由于自身结构的优势，当其从卷轴5中抽出后弹性恢复成管体，这样的结构所能承受自身荷载的长度远超过C型截面的卷尺，用于测量较长的距离时显得更加方便。C型截面的卷尺在测量物体的高度时，其在竖向无法承受自身的轴向压力，因此其很难量测较高的高度。而采用薄壁结构1时，其管体状结构可以承受足够大的弯矩和轴向压力(沿x轴向)，比C型截面的卷尺量测的更高，使用起来更方便。

本发明可以作为导游旗杆、教学用教鞭、收音机和手机天线等的骨架，与拉杆式结构骨架相比，本发明的伸长长度更长，更加轻质，更加节省材料，制作更加简便。本发明还可以作为水准尺尺身、卷尺尺身、柔性屏幕的骨架、上升式投影屏幕骨架。本发明的特点是其可以与被加强体共用同一卷轴一起卷收，因此本发明的优点是便于卷收、节省空间、轻质、承受荷载大、不易损坏等优点。

参考文献

[1]刘庆潭.材料力学[M].北京：机械工业出版社，2003：1-100

Claims (9)

1.一种可卷曲的薄壁支撑结构，其特征是：第一弹性凸面薄壁件(2)与第二弹性凸面薄壁件(3)相对设置且所述的第一弹性凸面薄壁件(2)的底面与所述的第二弹性凸面薄壁件(3)的底面固定连接形成结合部(4)，形成一个抗弯惯性矩和抗扭惯性矩较大的薄壁结构(1)，所述的薄壁结构(1)的纵向端部连接在一个卷轴(5)上。

2.根据权利要求1所述的可卷曲的薄壁支撑结构，其特征是：所述的第一弹性凸面薄壁件(2)和所述的第二弹性凸面薄壁件(3)在所述的结合部(4)的结合方式有：粘结剂粘结、焊接、高温熔合、高弹薄壁管压制成或者铆接。

3.根据权利要求1所述的可卷曲的薄壁支撑结构，其特征是：所述的第一弹性凸面薄壁件(2)和第二弹性凸面薄壁件(3)在压力作用下，两者沿叠合面叠合成易被卷曲或者易被弯曲的薄层，卸除压力后，两者在自身的弹性回复力作用下恢复成原来设定的管体形状。

4.根据权利要求1所述的可卷曲的薄壁支撑结构，其特征是：所述的第一弹性凸面薄壁件(2)和第二弹性凸面薄壁件(3)的截面的任意点的曲率满足以下关系式：

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\≤\frac{4{\mathrm{\σ}}_e}{Eh}$

其中：h为两个薄壁件的叠合厚度，或者为单个弹性凸面薄壁件的两倍厚；

E为薄壁件的弹性模量；

ρ为单个薄壁件中性层的曲率半径；

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}$ 为薄壁件截面的任意点曲率；

σ_e为两薄壁件的弹性极限值。

5.根据权利要求1或2所述的可卷曲的薄壁支撑结构，其特征是：所述的第一弹性凸面薄壁件(2)和所述的第二弹性凸面薄壁件(3)的材料采用合金高弹性高强度金属材料或高弹性、低塑性的塑料或者纤维增强塑料材料。

6.根据权利要求5所述的可卷曲的薄壁支撑结构，其特征是：所述的合金高弹性高强度金属材料为不锈钢高弹性材料或记忆合金，所述的高弹性、低塑性的塑料或者纤维增强塑料材料为玻璃纤维增强高弹塑料或碳纤维增强高弹塑料。

7.根据权利要求1或2所述的可卷曲的薄壁支撑结构，其特征是：所述的第一弹性凸面薄壁件(2)和第二弹性凸面薄壁件(3)的两侧边缘以结合部(4)形式结合，也可以将两者的端部以结合部(4)形式结合，形成两端封闭或者一端封闭的空心管体，端部侧面投影形状为尖灭形状。

8.根据权利要求1或2所述的可卷曲的薄壁支撑结构，其特征是：所述的第一弹性凸面薄壁件(2)和所述的第二弹性凸面薄壁件(3)展平后的形状是长边矩形、长腰三角形或长腰梯形。

9.根据权利要求1或2所述的可卷曲的薄壁支撑结构，其特征是：所述的薄壁结构(1)是单腔管体或多腔管体。