CN109058752A

CN109058752A - 一种几何渐变结构

Info

Publication number: CN109058752A
Application number: CN201810747301.9A
Authority: CN
Inventors: 马家耀; 宋继超; 陈焱; 杨富富
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2018-12-21

Abstract

本发明公开了一种几何渐变结构，由至少两个模块沿三个相互正交的方向拼接构成，三个相互正交方向分别为分列方向、分行方向、分层方向，渐变结构可沿分列方向、分行方向、分层方向进行分列、分行与分层，模块根据折纸图案折叠而成，折纸图案为四个完全相同的平行四边形拼接组成的镜面对称图形，所述折纸图案具有一个自由度，可实现完全折叠与展开；通过在不同分层中改变模块的参数实现保持空间折展特性的几何渐变结构，所述模块的参数包括模块边长、角度及模块数量。该结构初始态具有一个自由度，可实现一定程度的自由折叠，当到达一个极限点本装置可实现自锁，迅速提升其承载能力，且该自锁点可通过几何参数的调整实现承载力的可编程性。

Description

一种几何渐变结构

技术领域

本发明涉及具有几何渐变特性的折叠结构，具体是涉及一种具有预折叠和几何渐变特性的结构。

背景技术

吸能结构可以通过本身的形变将外界冲击力转化为其内能，从而吸收外界冲击能量达到缓冲保护的作用。吸能结构广泛应用与车辆防撞结构、生产生活安全防护与包装运输等领域。理想的吸能结构具有一下特点：质量轻；吸能效果好，碰撞热量及时释放等。目前广泛应用的为空薄壁结构和三明治结构，空薄壁结构主要集中于多边形及多胞结构的研究，如专利“车身碰撞吸能结构”(专利号CN 1076043184A)提出的‘8’字形吸能盒；专利“一种多胞薄壁吸能结构及其应用结构”(专利号CN 105235616A)对比了四边形、六边形、圆形及多胞柱状结构的吸能效果，证明多胞结构的优良吸能性能。三明治结构主要集中于夹心层的研究，传统的蜂窝结构由于诸多弊端正在逐渐失去优势，而利用折纸原理制作的折叠芯材具有独特的优势：(1)折叠芯层制备工艺易实现，保持了原材料的连续完整性，可实现大尺寸及自动化生产等；(2)折叠芯层内部特有空腔结构非常适合空气、冷凝液的流通；(3)其为具有5个独立结构尺寸的三维立体结构，通过优化几何尺寸和结构特征，可实现优于蜂窝结构的力学性能。但这些都不能更好的将吸能结构发挥到极致，于此相反，专利“一种泡沫铝非均一填充式吸能结构”(专利号CN 106005019A)通过改变泡沫铝的密度在不牺牲吸能能力的前提下减轻结构重量从而实现更好的吸能性能，专利“一种多周期吸能结构”(专利号CN 105082635A)通过多层叠加实现多周期吸能提高吸能效率。吸能结构的研究逐渐深入多周期，高效率，可控的吸能结构越发收到关注。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，应用渐变结构与折纸的概念，提供可由平面板材折叠形成、几何参数可变且具有渐变机械性能的几何渐变结构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种几何渐变结构，由至少两个模块沿三个相互正交的方向拼接构成，三个相互正交方向分别为分列方向、分行方向、分层方向，渐变结构可沿分列方向、分行方向、分层方向进行分列、分行与分层，所述模块根据折纸图案折叠而成，所述的折纸图案为四个完全相同的平行四边形拼接组成的镜面对称图形，所述折纸图案具有一个自由度，可实现完全折叠与展开；通过在不同分层中改变模块的参数实现保持空间折展特性的几何渐变结构，所述模块的参数包括模块边长、角度及模块数量。

进一步的，在不同层中改变模块的参数实现渐变结构有七种方式，基本方式的方式有三种：第一种为同时改变模块一侧边长与夹角；第二种与第三种为改变不同层中模块数量，即仅改变模块一侧边长实现模块数量的改变，表现为不同层中行数不同；仅改变模块另一侧边长实现模块数量的改变，表现为不同层中列数不同；通过以上三种方式的组合产生其他四种方式。

进一步的，通过改变模块一侧边长改变模块数量，可实现的模块数量变化比例为1：n， n为大于1的整数。

进一步的，通过同时改变模块两侧边长改变模块数量，可实现的模块数量变化比例为1： n²，n为大于1的整数。

进一步的，所述渐变结构的变化参数不涉及模块夹角时，结构可实现完全折叠或展开为一平板。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)该结构几何设计参数丰富，可根据不同工程应用灵活改变结构设计参数，能够适应填充各种大小的空间。

(2)该结构初始态具有一个自由度，可实现一定程度的自由折叠，当到达一个极限点本装置可实现自锁，迅速提升其承载能力，且该自锁点可通过几何参数的调整实现承载力的可编程性。

(3)该结构可以通过系统改变几何参数实现渐变式的机械性能，比如变刚度，从而能够更好的满足实际工程需要。

(4)该结构可以任意切割，从而使用各种边界条件。

附图说明

图1-1和图1-2分别为本发明指定的基本折纸图案的平面展开示意图，与部分折叠状态的结构示意图，作为组成渐变结构的基本模块；

图2-1和图2-3分别为本发明第一种实施方式的折叠状态示意图与平面展开示意图，图 2-2为图2-1的右视图。此结构分上下两层，两层相向拼接，每一层都由多个图1中基本模块拼接而成。同一层中模块参数完全一致，不同层中模块边长a和角度φ不同；

图3-1和图3-3分别为本发明第二种实施方式的折叠状态示意图与平面展开示意图，图 3-2为图3-1的右视图。此结构分上下两层，两层相向拼接，每一层都由多个图1中基本模块拼接而成。同一层中模块参数完全一致，不同层中模块边长a不同，并造成不同层中模块数量n的改变；

图4-1和图4-3分别为本发明第三种实施方式的折叠状态示意图与平面展开示意图，图 4-2为图4-1的右视图。此结构分上下两层，两层相向拼接，每一层都由多个图1中基本模块拼接而成。同一层中模块参数完全一致，不同层中模块边长b不同，并造成不同层中模块数量n的改变；

图5-1和图5-3分别为本发明第四种实施方式的折叠状态示意图与平面展开示意图，图 5-2为图5-1的右视图。此结构分上下两层，两层相向拼接，每一层都由多个图1中基本模块拼接而成。同一层中模块参数完全一致，不同层中模块边长a和模块角度φ不同，模块边长a 的改变同时引起了不同层中模块数量n的改变；

图6-1到图6-3分别为本发明第五种实施方式的折叠状态示意图与平面展开示意图，图 6-2为图6-1的右视图。此结构分上下两层，两层相向拼接，每一层都由多个图1中基本模块拼接而成。同一层中模块参数完全一致，不同层中模块边长b模块角度φ不同，同时改变模块边长b从而实现不同层中模块数量n的改变；

图7-1到图7-3分别为本发明第六种实施方式的折叠状态示意图与平面展开示意图，图 7-2为图7-1的右视图。此结构分上下两层，两层相向拼接，每一层都由多个图1中基本模块拼接而成。同一层中模块参数完全一致，不同层中模块边长a与模块边长b不同，模块边长 a与b的改变同时作用实现不同层中模块数量n的改变；

图8-1到图8-3分别为本发明第七种实施方式的折叠状态示意图与平面展开示意图，图 8-2为图8-1的右视图。此结构分上下两层，两层相向拼接，每一层都由多个图1中基本模块拼接而成。同一层中模块参数完全一致，不同层中模块边长a模块角度φ不同，同时改变模块边长b，模块边长a与b的改变同时作用实现不同层中模块数量n的改变。

其中：

A、B、C、D、E、F、G、H、O——大写字母表示模块顶点；

a，b——小写字母表示边长，其下脚标对应不同结构中模块，例如b_II2表示结构二中模块 2的边长b。

φ、γ、η——希腊字母表示角度，其下脚标对应不同结构中模块，例如φ_II2表示结构II 中模块2的角度φ。

w、l、h——小写字母分别表示模块折叠状态下长、宽、高。

Ic、IIc、IIIc——罗马数字代表不同的结构，数字c为大于1的正整数代表该结构中不同模块单元，例如II1，代表结构II中模块1；

Hc——代表该结构中镂空现象，c表示大于1的正整数，例如H2表示该处为镂空，数字 2代表第二个镂空处；

具体实施方式

本发明的一种新型的几何渐变结构，是由多层相向的结构叠加而成，且每层均由带有预折纹的模块拼接而成。这里的模块由一种特定的折纸图案进行预折叠，通过将改变不同层中模块边长、夹角或者模块数量三种方式，获得不同的渐变结构。渐变结构可视为由多个模块沿三个相互正交的方向拼接构成，且定义三个方向为分列方向、分行方向、分层方向，沿三个方向有明显的分列分行分层，层内由行列之分。

下面再结合每一附图对本发明加以详细说明：

对于本说明中所有的图，相同或相对应的模块一般采用相同的数字字母标记表示。需要指出的是，说明中所有的图只是对该发明解释说明性的表示，而本发明不局限于这些表示。此外，图中各部分并非必然按实际比例表示。在某些条件下，那些对了解本发明没有影响或者会对其他细节的理解造成影响的细节部分可能会被忽略。

图1-1是本发明中几何渐变结构的基本折纸图案，图1-2为基本折纸图案折叠后形成的某一状态结构图，为组成渐变板结构的基本模块。该图案由边长为a、b两边夹角为φ的四个全等的平行四边形ABOD、BCEO、EOGH、ODFG密铺排列组成，且该图案为镜像对称图形。将图形中四个最小的平行四边形视为不发生形变的平面单元，相邻平面单元的连接线为转动副的转动中心线，且用虚线表示相邻两个平面单元绕该转动中心线朝里折叠形成凹陷的形状，而实线表示绕该转动中心线朝外折叠形成突起的形状，如图1-2所示的折叠后形状所示。该基本折纸图案具有一个自由度，即在图1-1基本图案确定后，图1-2中空间折叠状态任意给定一个参数即可确定折叠状态，且所述模块可实现完全折展；图1-2所示的基本模块，顶点 D、O、E在一平面，其余顶点在同一平面，且这两个平面平行，两平面距离为模块高度h；顶点A、B、C所确定的平面平行于顶点F、G、H所确定的平面，两平面的距离为模块宽度 w，即A、F两点间的距离；模块长度用顶点F、H之间的距离l定义。定义沿AF方向为分列方向，该方向上结构分列，AC方向为分行方向，该方向上分行。通过将图1-2折纸图案在空间中的重复叠加可形成板结构结构。

图2-1为本发明的在不同层中同时改变模块边长a与夹角φ的渐变结构一，图2-2为图2-1 所示结构一的右视图，结构一由上下两层相向叠加组成，上下两层分别各有四个模块，图2-3 分别为上下两层的平面展开图。上层由模块I1、I2、I3、I4组成，下层有模块I5、I6、I7、I8 组成，各层中的模块完全一致，不同层中模块边长a与夹角φ不同，即a_I1与a_I5不同，φ_I1与φ_I5不同。边长a与夹角φ的改变使得两层结构高度不同。该结构中边长a与夹角φ的改变需满足一定条件，不可任意改变以保证两层结构相匹配。该结构中同时涉及不同层中边长a与夹角φ的改变，且两参数需满足一定几何关系，其余参数均保持一致。该结构可在空间无限层叠，且同一层中可无限扩展。

图3-1为本发明的在不同层中仅改变模块边长a的渐变结构二，图3-2为图3-1所示结构二的右视图，结构二由上下两层相向叠加组成，上层有两个模块，下层有四个模块，图3-3 分别为上下两层的平面展开图。上层由II1、II2两个模块组成为一行两列，下层有模块II3、 II4、II5、II6四个模块组成两行两列，各层中的模块完全一致，不同层中模块边长a不同，即a_II1与a_II3不同，且边长a的改变保持为最小边长a的整数倍，使得两层中模块数量与模块高度出现相同倍数的差异，表现为不同层中拥有不同的行数。该结构中仅涉及模块边长a的改变，其余参数均保持一致。该结构可在空间无限层叠，且同一层中可沿分列方向、分行方向无限扩展。

图4-1为本发明的在不同层中仅改变模块边长b的渐变结构三，图4-2为图4-1所示结构三的右视图，结构三由上下两层组成，上层有两个模块，下层有四个模块，图4-3分别为上下两层的平面展开图。上层由III1、III2两个模块组成为两行一列，下层有模块III3、III4、III5、 III6四个模块组成两行两列，各层中的模块完全一致，不同层中模块边长b不同，即b_III1与 b_III3不同，且边长b的改变保持为最小边长b的整数倍，使得两层中模块数量出现相同倍数的差异，表现为不同层中拥有不同的列数。同时，该结构中上下层匹配过程出现了镂空H1。该结构中仅涉及模块边长b的改变，其余参数均保持一致。该结构可在空间无限层叠，且同一层中可无限扩展。

结构二与结构三指出两种实现不同层中模块数量变化的基本方式，分别为改变模块边长a，改变模块边长b。

通过将结构一与结构二中模块参数的改变方式结合可实现新的结构四。图5-1为本发明的在不同层中同时改变模块边长a与夹角φ，且通过边长a改变不同层中模块数量的渐变结构四，图5-2为图5-1所示结构四的右视图，结构四由上下两层组成，上层有两个模块，下层有四个模块，图5-3分别为上下两层的平面展开图。上层是由IV1、IV2两模块组成一行两列，下层是由IV3、IV4、IV5、IV6四模块组成两行两列，各层中的模块完全一致，不同层中模块边长a与夹角φ不同，即a_IV1与a_IV3不同，φ_IV1与φ_IV3不同。边长a与夹角φ的改变使得两层结构高度不同，同时模块边长a改变了两层结构中的模块数量。该结构中边长a与夹角φ的改变需满足一定条件，不可任意改变以保证两层结构相匹配。两层的模块数量改变表现为不同层中行数不同。该结构中同时涉及不同层中边长a与夹角φ的改变，且两参数需满足一定几何关系，但区别与结构一，该结构中模块数量发生了改变，区别与结构二，该结构中不同层模块高度虽不一致但并不成一定比例。其余参数均保持一致。该结构可在空间无限层叠，且同一层中可无限扩展。

通过将结构一与结构三中模块参数的改变方式结合可实现新的结构五。图6-1为本发明的在不同层中同时改变模块边长a、b与夹角φ的渐变结构五，图6-2为图6-1所示结构十五的右视图，结构五由上下两层组成，上层有两个模块，下层有四个模块，图6-3分别为上下两层的平面展开图。上层是由V1、V2两模块组成两行一列，下层是由V3、V4、V5、V6四模块组成两行两列，各层中的模块完全一致，不同层中模块边长a、b与夹角φ均不相同，即a_V1与a_V3不同，b_V1与b_V3不同，φ_V1与φ_V3不同。边长a与夹角φ的改变使得两层结构高度不同，边长b的改变同结构三一致，保持为最小边长b的整数倍，同时造成两层结构中的模块数量相同倍数的变化。该结构中边长a与夹角φ的改变需满足一定条件，不可任意改变以保证两层结构相匹配。同时，该结构中上下层匹配过程出现了镂空H2。两层的模块数量改变表现为不同层中列数不同。该结构中同时涉及不同层中边长a、b与夹角φ的改变，其余参数均保持一致。该结构可在空间无限层叠，且同一层中可无限扩展。

通过将结构二与结构三中两种改变模块数量的方式结合可实现新的结构六。图7-1为本发明的在不同层中同时改变模块边长a与b，同时改变了不同层中模块数量的渐变结构六，图 7-2为图7-1所示结构六的右视图，结构六由上下两层组成，上层有一个模块，下层有四个模块，图5-3分别为上下两层的平面展开图。上层是由VI1单个模块组成一行一列，下层是由 VI2、VI3、VI4、VI5四模块组成两行两列，各层中的模块完全一致，不同层中模块边长a与 b不同。即a_VI1与a_VI2不同，b_VI1与b_VI2不同，边长a与b的改变使得两层结构长宽高均都发生了变化，边长a的改变造成不同层中行数变化，边长b的改变造成不同层中列数变化，两个边长的改变均保持为其最小值的整数倍，不同层中模块数量的改变为边长a与b改变倍数的乘积。且结构六中由于边长b的改变引入了镂空H3。该结构可在空间无限层叠，且同一层中可无限扩展。

结合以上所有结构的特性，即通过结合三种基本形成渐变结构的方式，同时改变模块边长a，b与夹角φ，并通过改变模块边长a与b两种方式改变模块数量，形成渐变结构七。图 8-1为结构七，图8-2为结构七右视图，分上下两层，上层有一个模块，下层有四个模块，图8-3为上下两层的平面展开图。上层是由VII1单个模块组成一行一列，下层是由VII2、VII3、 VII4、VII5四模块组成两行两列，各层中的模块完全一致，不同层中模块边长a与b，夹角φ不同，即a_VII1与a_VII2不同，b_VII1与b_VII2不同，φ_VII1与φ_VII2不同。边长a与b的改变使得两层结构长宽高均都发生了变化，边长a的改变造成不同层中行数变化，边长b的改变造成不同层中列数变化，两个边长的改变均保持为其最小值的整数倍，不同层中模块数量的改变为边长a与b改变倍数的乘积。结构七中同样由于边长b的改变引入了镂空H4与H5。该结构可在空间无限层叠，且同一层中可无限扩展。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种几何渐变结构，其特征在于，由至少两个模块沿三个相互正交的方向拼接构成，三个相互正交方向分别为分列方向、分行方向、分层方向，渐变结构可沿分列方向、分行方向、分层方向进行分列、分行与分层，所述模块根据折纸图案折叠而成，所述的折纸图案为四个完全相同的平行四边形拼接组成的镜面对称图形，所述折纸图案具有一个自由度，可实现完全折叠与展开；通过在不同分层中改变模块的参数实现保持空间折展特性的几何渐变结构，所述模块的参数包括模块边长、角度及模块数量。

2.根据权利要求1所述的几何渐变结构，其特征在于，在不同层中改变模块的参数实现渐变结构有七种方式，基本方式的方式有三种：第一种为同时改变模块边长(a)与夹角(φ)；第二种与第三种为改变不同层中模块数量，即仅改变模块边长(a)实现模块数量的改变，表现为不同层中行数不同；仅改变模块边长(b)实现模块数量的改变，表现为不同层中列数不同；通过以上三种方式的组合产生其他四种方式。

3.根据权利要求1或2所述的几何渐变结构，其特征在于，通过改变模块边长(a)改变模块数量，可实现的模块数量变化比例为1：n，n为大于1的整数。

4.根据权利要求1或2所述的几何渐变结构，其特征在于，通过改变模块边长(b)改变模块数量，可实现的模块数量变化比例为1：n，n为大于1的整数。

5.根据权利要求1或2所述的几何渐变结构，其特征在于，通过同时改变模块边长(a)与(b)改变模块数量，可实现的模块数量变化比例为1：n²，n为大于1的整数。

6.根据权利要求1所述的几何渐变结构，其特征在于，所述渐变结构的变化参数不涉及模块夹角时，结构可实现完全折叠或展开为一平板。