CN108494354A - 一种厚板折叠方法、装置及太阳能发电装置 - Google Patents

一种厚板折叠方法、装置及太阳能发电装置 Download PDF

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Abstract

一种厚板折叠方法、装置及其太阳能发电装置，该厚板包括折叠基材和设置于折叠基材上的厚板材料，该方法包括：将所述折叠基材按照miura‑ori折纸方法加工折痕，使所述折叠基材被若干条折痕划分为N*M个子单元，N、M均为正整数，其中所述厚板材料位于各子单元上；以每个子单元周围需要容纳厚板厚度的折痕为中心线折叠两条相邻的平行折痕，该两条相邻的平行折痕同为山线或谷线；并且所述两条相邻的平行折痕的间距尺寸大于等于其所容纳厚板的厚度。上述方法通过将一条折痕折叠为两条平行折痕以容纳折叠中的厚度影响，解决了普通施加厚度不能折叠平整的缺点，具有更大的工程容差能力，实现厚板展收动作的流畅性和自由的折叠展开。

Description

一种厚板折叠方法、装置及太阳能发电装置
技术领域
本发明涉及厚板折叠技术领域，具体涉及一种厚板折叠方法、装置及其太阳能发电装置。
背景技术
现有技术中有非常多的结构应用，尤其是可展结构，借助折纸来建立最初模型。比如需要在太空中展开的太阳能帆、个人消费品中的太阳能充电宝或者可展开的机器人结构等。但是折纸有一个最大的让研究者困扰的问题是折纸厚度。比如太阳能电池片折叠，厚度是必须考虑的因素。当折叠结构中存在矩阵，即存在多层折叠时尤其如此。
面对厚板如何折叠的技术问题，现有方法采用在零厚度折纸模型的基础上增加板厚，包括将厚度材料削成锥形或者在将相邻折痕间的厚度材料去除。该方法在展开时不会有问题，但在折叠后会有无法压平，或者无法紧密折叠的现象，其根本原因在于球面机构模型将折叠运动铰链约束于同一交点，从而无法有效实现板厚与折叠运动的协调，因此该方法不是理想的厚板折叠方法。
“Miura-Ori”是一种可快速展收的折纸方法，属于折纸中的刚性折纸，也属于典型的一个顶点有4条折痕交汇的情况。以miura-ori折叠为例，图1是一个3*4矩阵miura-ori折纸的展开图，图2(a)和2(b)是其折叠过程中和折叠完成后的示意图。在只使用纸张做该折叠时，可简单快速的对纸张做展收运动，折叠后也如图2(b)一般非常平整，形成二维平面。图3是在具有miura-ori折痕的薄片上简单的将厚度材料施加于每个被折叠子单元上。图4(a)和图4(b)是具有厚度的材料在折叠过程中和折叠后的状态示意图，显示由于厚度材料之间的干涉，附加厚度材料的薄片无法直接压平或无法紧密折叠。
天津大学陈焱教授于2015年7月24日发表在《SCIENCE》第349卷第6246期的“Origami of Thick Panels”提出厚板折纸理论，用空间结构代替球面机构，建立基于过约束空间机构网格的厚板折纸运动学模型，其在4条折痕汇合于单顶点部分，将4条折痕拆分为Bennett 4R空间铰链结构，将被折叠的厚纸板等效于连杆，将折痕等效于铰链，计算出相关约束条件。
理论上上述模型将折叠与展开具有一定厚度的板型材料，最终得到在折叠后完全平整的模型。但是，该模型最大的缺陷就在于上述约束条件是如此的严苛，以致于在该模型下，各个被折叠的子单元的角度分布和各个子单元之间折痕(或者铰链)的位置必须精准的满足其方程要求，否则展收动作难以流畅进行，该模型难以容纳工程余量。因此除非进行高精密的加工和装配，否则该模型在实际工程中难以实现。
同时，按陈焱教授的模型，折痕与相邻的厚板平面往往不在同一个平面，这对于符合连杆铰链的产品或许可行，但对于真正的只有厚板与折痕的工程产品难以实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种厚板折叠方法、装置及其太阳能发电装置。该厚板折叠方法将薄片折叠与厚板材料结合在一起，同时不需要非常严苛的精密加工与装配。其具有miura-ori折叠一样的快速展收效果，同时可折叠到平整程度。
为达到上述目的，本发明具体采用如下技术方案来实现：
本发明的第一方面提供了一种厚板折叠方法，该厚板包括折叠基材和设置于所述折叠基材上的厚板材料，该厚板折叠方法包括如下步骤：
将所述折叠基材按照miura-ori折纸方法加工折痕，使所述折叠基材被若干条折痕划分为N*M个子单元，N、M均为正整数，其中所述厚板材料位于各子单元上；
以每个子单元周围需要容纳厚板厚度的折痕为中心线折叠两条相邻的平行折痕，该两条相邻的平行折痕同为山线或谷线；并且所述两条相邻的平行折痕的间距尺寸大于等于其所容纳厚板的厚度。
在一些实施例中，所述按照miura-ori折纸方法加工折痕的步骤中，其折叠角度α12、α23、α34、α41满足下列表达式：
α12+α34＝α23+α41＝π
α12＝α23；
其中，折叠角度α12、α23、α34、α41是交汇于2*2个子单元中心的4条折痕中相邻两条折痕依次形成的角度，α12、α34互为对角，α23、α41互为对角。
在一些实施例中，α12与α23取值范围为96°至97°。
在一些实施例中，设厚板材料的厚度为T，折叠基材的厚度为H，对折后容纳厚板材料即厚板材料在折叠基材内部的折痕为谷线折痕，对折后厚板材料在折叠基材外部的折痕为山线折痕；当N＝3，M＝4时，所述间距尺寸包括W0，W1，W2及W3，其中，W0为需要容纳两个对折的子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，W1为需要容纳四个相邻子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，W2为将需要容纳四个相邻子单元厚度的两条平行山线折痕的间距，W3为将需要容纳两列子单元厚度即八个子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，对其进行约束的表达式为：
W0＝2*T
W1＝2*(T+H)+2*T
W2＝4*(T+H)
W3＝6*(T+H)+2*T。
在一些实施例中，还包括：在每一个折痕交汇之处开设切槽，去除连杆多余约束。
本发明的第二方面提供了一种厚板折叠装置，包括折叠基材和封装于折叠基材上的厚板材料，按照miura-ori折纸方法将所述折叠基材折叠成被若干条折痕划分为N*M个子单元，M、N均为正整数，其中厚板材料位于各子单元上；以每个子单元周围需要容纳厚板厚度的折痕为中心线折叠两条相邻的平行折痕，该两条相邻的平行折痕同为山线或谷线；所述两条相邻的平行折痕的间距尺寸大于等于其所容纳厚板的厚度。
在一些实施例中，所述按照miura-ori折纸方法折叠后，其折叠角度α12、α23、α34、α41满足下列表达式：
α12+α23＝α34+α41＝π
α12＝α34；
其中，折叠角度α12、α23、α34、α41是交汇于2*2个子单元中心的4条折痕中相邻两条折痕依次形成的角度，α12、α34互为对角，α23、α41互为对角。
在一些实施例中，α12与α23的取值范围为96°至97°。
在一些实施例中，设厚板材料的厚度为T，折叠基材的厚度为H，对折后容纳厚板材料即厚板材料在折叠基材内部的折痕为谷线折痕，对折后厚板材料在折叠基材外部的折痕为山线折痕；当N＝3，M＝4时，所述间距尺寸包括W0，W1，W2及W3，其中，W0为需要容纳两个对折的子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，W1为需要容纳四个相邻子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，W2为将需要容纳四个相邻子单元厚度的两条平行山线折痕的间距，W3为将需要容纳两列子单元厚度即八个子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，对其进行约束的表达式为：
W0＝2*T
W1＝2*(T+H)+2*T
W2＝4*(T+H)
W3＝6*(T+H)+2*T。
在一些实施例中，每一个折痕交汇之处具有切槽，用来去除连杆多余约束。
本发明的第三方面提供了一种太阳能发电装置，包括如前所述的厚板折叠装置，所述厚板材料为太阳能组件。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明提出的用折叠薄片与厚度材料结合的方案，解决了普通施加厚度不能折叠平整的缺点，同时避免了陈焱教授厚板折纸理论中约束过于严苛的缺点，并且通过将折痕交汇处切槽，去除多余的约束，不需要高精密的加工和装配，即能实现展收动作的流畅性，具有更大的工程容差能力，实现自由的折叠展开。
附图说明
图1是现有技术中miura-ori折纸的展开状态示意图；
图2(a)和图2(b)分别是现有技术中miura-ori折纸折叠过程中和折叠后的状态示意图；
图3是将厚度材料施加于miura-ori折纸的展开状态示意图；
图4(a)和图4(b)分别是将厚度材料施加于miura-ori折纸的折叠过程中和折叠后的状态示意图；
图5(a)是零厚度薄板部分折叠的示意图；图5(b)是与图5(a)对应的厚板部分折叠的示意图，
图6是根据本发明实施方式的太阳能发电装置的厚板折叠方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图5(a)示出了零厚度薄板的部分折叠，其为单顶点4折痕刚性折纸，图5(b)是与图5(a)中相同的扇形角度对应的厚板部分。图5在阐述4条折痕汇合于单顶点类型部分，将4条折痕拆分为Bennett 4R空间铰链结构，将被折叠的厚纸板等效于连杆，将折痕等效于铰链。按照Bennett 4Rd的约束条件，陈焱教授推倒出的可转换为Bennett 4R空间连杆模型的厚板折纸需满足下列条件：
α12+α34＝α23+α41＝п
a12＝a34,a23＝a41
a12/a23＝sinα12/sinα23
α12、α23、α34、α41是交汇的单顶点4条折痕中相邻两条折痕依次形成的角度，a12、a23、a34、a41为图5(b)中所示的各折叠间距。需要注明的是,miura-ori折叠属于符合上述要求的一种特殊情况。在miura-ori折叠中，α12约为83°-84°。
图6是根据本发明实施例的可以以miura-ori折叠方式快速展收的太阳能发电装置示意图。
太阳能发电装置包括太阳能组件62和折叠基材61，折叠基材61即为厚板折纸的薄片，太阳能组件62封装于折叠基材61之上的厚板材料。
将折叠基材61的厚度定义为H；太阳能组件62的厚度定义为T；太阳能组件62的厚度大于折叠基材61的厚度，一般来讲，T为H的K倍,K大于等于2。
按照miura-ori折纸方法进行折叠，折叠基材61被若干折痕划分为N*M个子单元，图6示例性的示出了3*4矩阵，以下将推导相关折痕角度以及间距的参数，对于其他N*M个子单元，其相关折痕间距参数的推导手段相同。
折叠角度应满足下列表达式：
α12+α34＝α23+α41＝π
α12＝α23；
其中，α12、α23、α34、α41是交汇于2*2个子单元中心的4条折痕中相邻两条折痕依次形成的角度，α12、α34互为对角，α23、α41互为对角。
将厚板材料的厚度设置为T，折叠基材(61)的厚度设置为H；对折后容纳厚板材料即厚板材料在内部的折痕为谷线折痕，如图中所示的虚线；对折后厚板材料在外部的折痕为山线折痕，如图中所示的点划线；当N＝3，M＝4时，即3*4矩阵时，步骤3中的间距尺寸包括W0，W1，W2及W3，其中，W0为需要容纳两个对折的子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，即需要容纳两个厚板材料的厚度；W1为需要容纳四个相邻子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，即需要容纳两个完整子单元的厚度以及两个厚板材料的厚度，所述完整子单元的厚度为基材与厚板材料的厚度和；W2为将需要容纳四个相邻子单元厚度的两条平行山线折痕的间距，需要容纳四个完整子单元的厚度；W3为将需要容纳两列子单元厚度即八个子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，即六个完整子单元的厚度以及两个厚板材料的厚度；对其进行约束的表达式为：
W0＝2*T
W1＝2*(T+H)+2*T
W2＝4*(T+H)
W3＝6*(T+H)+2*T。
α12+α34＝α23+α41＝π
其中，α12＝α23，优选地约为96°至97°。
如背景技术所述，如果只是简单的将太阳能组件62封装在折叠基材61之上，由于太阳能组件62远大于折叠基材61厚度的影响，由于彼此的干涉，将会造成无法平整折叠或者折叠后起翘。为了容纳折叠产生的厚度，本发明采用如图6所示的方法，在折痕中的各条山线与谷线中选择需要容纳厚度的单条折痕，并将需要容纳厚度的单条折痕以该折痕为中心线折叠两条平行折痕，这样通过两条平行折痕的间距容纳折叠产生的厚度，对于纵向与横向上的山线与谷线，以及不同位置处的折痕，其所需要容纳的厚度不同。
本发明的折叠方法不限于图6所示的3*4矩阵，也可以是2*3、4*5、3*3等任何其他矩阵，其相关折痕间距参数的推导手段与上述方法相同，即间距参数需大于等于其所容纳的厚板厚度，该厚度由定义间距的两条平行折痕实际容纳的厚板所决定。
本发明通过将一条折痕变为两条平行折痕可以容纳折叠中的厚度影响。原有miura-ori折叠中4条折痕汇聚于一个顶点，其中4条折痕中折叠方向必与其他3条相反，其符合Bennett 4R过约束单自由度规则，可以自由的折叠展开。但是本发明技术方案做出上述改进后，将造成完全不同的自由度定义，与miura-ori的折叠展开方式不同。
为避免交汇折痕的干扰，进一步自由的折叠展开，本发明进一步采用在每一个折痕汇聚之处开设切槽63，去除连杆多余约束，实现展收动作的流畅性。
综上所述，本发明提出的用折叠薄片与厚度材料结合的方案，将需要容纳厚度的单条折痕由一条折痕变为两条平行折痕，解决了普通施加厚度不能折叠平整的缺点，同时避免了陈焱教授厚板折纸理论中约束过于严苛的缺点，并且通过将折痕交汇处切槽，去除多余的约束，不需要高精密的加工和装配，即能实现展收动作的流畅性，具有更大的工程容差能力，实现自由的折叠展开。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (11)

1.一种厚板折叠方法，该厚板包括折叠基材和设置于所述折叠基材上的厚板材料，其特征在于，该厚板折叠方法包括如下步骤：
将所述折叠基材按照miura-ori折纸方法加工折痕，使所述折叠基材被若干条折痕划分为N*M个子单元，N、M均为正整数，其中所述厚板材料位于各子单元上；
以每个子单元周围需要容纳厚板厚度的折痕为中心线折叠形成两条相邻的平行折痕，所述两条相邻的平行折痕同为山线或谷线；并且所述两条相邻的平行折痕的间距尺寸大于等于其所容纳厚板的厚度。
2.根据权利要求1所述的厚板折叠方法，其特征在于，所述按照miura-ori折纸方法加工折痕的步骤中，其折叠角度α12、α23、α34、α41满足下列表达式：
α12+α34＝α23+α41＝π
α12＝α23；
其中，折叠角度α12、α23、α34、α41是交汇于2*2个子单元中心的4条折痕中相邻两条折痕依次形成的角度，α12、α34互为对角，α23、α41互为对角。
3.根据权利要求2所述的厚板折叠方法，其特征在于，α12与α23取值范围为96°至97°。
4.根据权利要求1所述的厚板折叠方法，其特征在于，设厚板材料的厚度为T，折叠基材的厚度为H，对折后容纳厚板材料即厚板材料在折叠基材内部的折痕为谷线折痕，对折后厚板材料在折叠基材外部的折痕为山线折痕；当N＝3，M＝4时，所述间距尺寸包括W0，W1，W2及W3，其中，W0为需要容纳两个对折的子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，W1为需要容纳四个相邻子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，W2为将需要容纳四个相邻子单元厚度的两条平行山线折痕的间距，W3为将需要容纳八个子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，对其进行约束的表达式为：
W0＝2*T
W1＝2*(T+H)+2*T
W2＝4*(T+H)
W3＝6*(T+H)+2*T。
5.根据权利要求1至4之一所述的厚板折叠方法，其特征在于，还包括：在每一个折痕交汇开设切槽。
6.一种厚板折叠装置，包括折叠基材和封装于折叠基材上的厚板材料，其特征在于，按照miura-ori折纸方法将所述折叠基材折叠成被若干条折痕划分为N*M个子单元，M、N均为正整数，其中厚板材料位于各子单元上；以每个子单元周围需要容纳厚板厚度的折痕为中心线折叠两条相邻的平行折痕，该两条相邻的平行折痕同为山线或谷线；所述两条相邻的平行折痕的间距尺寸大于等于其所容纳厚板的厚度。
7.根据权利要求6所述的厚板折叠装置，其特征在于，所述按照miura-ori折纸方法折叠后，其折叠角度α12、α23、α34、α41满足下列表达式：
α12+α23＝α34+α41＝π
α12＝α34；
其中，折叠角度α12、α23、α34、α41是交汇于2*2个子单元中心的4条折痕中相邻两条折痕依次形成的角度，α12、α34互为对角，α23、α41互为对角。
8.根据权利要求7所述的厚板折叠装置，其特征在于，α12与α23的取值范围为96°至97°。
9.根据权利要求6所述的厚板折叠装置，其特征在于，设厚板材料的厚度为T，折叠基材的厚度为H，对折后容纳厚板材料即厚板材料在折叠基材内部的折痕为谷线折痕，对折后厚板材料在折叠基材外部的折痕为山线折痕；当N＝3，M＝4时，所述间距尺寸包括W0，W1，W2及W3，其中，W0为需要容纳两个对折的子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，W1为需要容纳四个相邻子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，W2为将需要容纳四个相邻子单元厚度的两条平行山线折痕的间距，W3为将需要容纳两列子单元厚度即八个子单元厚度的两条平行谷线折痕的间距，对其进行约束的表达式为：
W0＝2*T
W1＝2*(T+H)+2*T
W2＝4*(T+H)
W3＝6*(T+H)+2*T。
10.根据权利要求6至9任一项所述的厚板折叠装置，其特征在于，每一个折痕交汇处开设切槽。
11.一种太阳能发电装置，其特征在于，包括如权利要求6-10任一项所述的厚板折叠装置，所述厚板材料为太阳能组件。
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