CN110835960B - 一种棱台状张拉整体式自稳定折叠装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种棱台状张拉整体式自稳定折叠装置，属于折叠装置技术领域。该装置包括杆单元、绳单元和节点，绳单元和节点按照棱台体棱边和顶点的连接关系进行连接，然后在棱台体侧面按对角线位置添加杆单元，构成张拉整体式棱台结构，多个张拉整体式棱台结构通过节点搭接绳单元或节点搭接节点的方式组合拼装成本装置。组合拼装而成的可折叠装置具有完整结构构型，并具有良好的自平衡及稳定性。折叠装置的展开收拢尺寸及刚度大小可根据实际工程需要，通过改变胞元的个数、绳和杆的长度实现调控。该装置在外部载荷作用下存在两种稳态模式。两种稳态模式分别对应装置的折叠形态和展开形态。两种形态可在合适的载荷作用下，实现稳定可靠转换。
Description
技术领域
本发明涉及折叠机构技术领域，特别是指一种棱台状张拉整体式自稳定折叠装置。
背景技术
张拉整体结构是一种轻质化的空间网壳状结构体系，由预拉伸的绳单元和预压缩的杆单元相互连接而成。张拉整体结构具有材料利用率高、构型可折叠/展开、力学性质可大范围调节和单体结构便于组装的优点。在没有任何外部支撑的情况下，可依靠杆和绳提供的预应力作用保持自身的几何构型，在受到微小保守力扰动时，总是趋向于恢复到初始的自平衡状态，当外部扰动超过一定范围时，张拉整体结构便可能会达到新的自平衡状态。另外，通过改变绳单元及杆单元的内力可以实现调节或控制张拉整体结构的形态，使其满足所需的功能要求。目前折叠结构已发展很多种型式，但对于质轻、材料利用率高、抗冲击好、稳定可靠的可折叠结构仍相对不足。
发明内容
本发明为解决目前对于质轻、材料利用率高、抗冲击好、刚度可变、稳定可靠的可折叠装置缺乏问题，提供一种棱台状张拉整体式自稳定折叠装置，该装置能够在外部载荷作用下实现稳定的折叠展开，并且具有可靠的抗冲击能力。
该装置包括杆单元、绳单元和节点，绳单元和节点按照棱台体棱边和顶点的连接关系进行连接，然后在棱台体侧面按对角线位置添加杆单元，形成单元拉力和压力的平衡而得到稳定自平衡的张拉整体式棱台结构，多个张拉整体式棱台结构通过节点搭接绳单元或节点搭接节点的方式组合拼装成本装置。
其中，张拉整体式棱台结构不少于2个。
两个张拉整体式棱台结构在面积相同的底面进行组合拼接。
杆单元为不锈钢压杆，所述节点为铰接点，压杆和绳单元在节点处自由转动。
该装置具有完整结构构型，并具有良好的自平衡及稳定性。折叠装置的展开收拢尺寸及刚度大小可根据实际工程需要，通过改变胞元中的拉绳和压杆的长度实现调控。该装置以四棱台状张拉整体结构为胞元，由2个胞元可以组合得到1个折叠展开单元，然后将这些两胞元的折叠展开单元在上下面处进行串联拼接可以得到更大尺寸的折叠展开装置。
该装置在外部载荷下势能存在两个局部最小值，即存在两种稳态模式，两个局部最小值之间的局部最大值对应两种稳态模式转化的临界载荷值，两种稳态模式分别为折叠状态和展开状态。
(1)零载荷折叠状态：当装置处于第一种稳态模式，即零载荷折叠状态下，受到小于临界载荷的外部激励载荷时，装置的形状将随载荷的变化而改变，装置的势能随载荷变化呈非线性变化，载荷撤去之后，装置的形状和势能值将立即恢复到零载荷折叠状态。
(2)伸展过程：当装置处于零载荷折叠状态，受到大于临界载荷的拉伸载荷作用时，装置不断展开，势能呈非线性增大趋势，当展开到一定程度之后，势能达到局部最大值，下一时刻装置便发生翻折，装置转入第二种稳态模式，进入此模式状态下后，装置将自动伸展，转变成零载荷展开状态，完成伸展。
(3)收展过程：当装置处于第二种稳态模式，即零载荷展开状态，受到大于临界载荷的压缩载荷作用时，装置逐渐被压缩，势能呈非线性增大，压缩到一定程度之后，势能达到局部最大值。下一时刻装置将发生翻折，转入第一种稳态模式，进入此模式状态下后，装置将自动收展，恢复成零载荷折叠状态，完成收展。
可以通过调节杆和绳中预应力的大小，改变两种稳态模式转化的临界载荷值。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，解决了目前对于质轻、材料利用率高、抗冲击好、刚度可调、稳定可靠的可折叠装置缺乏问题，本发明提供的棱台状张拉整体式自稳定折叠装置，能够在外部载荷作用下实现稳定的折叠展开，并且具有可靠的抗冲击能力。
附图说明
图1为本发明的棱台状张拉整体式自稳定折叠装置中张拉整体式四棱台结构示意图；
图2为本发明的棱台状张拉整体式自稳定折叠装置折叠状态示意图；
图3为本发明的棱台状张拉整体式自稳定折叠装置展开状态示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种棱台状张拉整体式自稳定折叠装置。
如图1所示，该装置包括杆单元、绳单元和节点，绳单元和节点按照棱台体棱边和顶点的连接关系进行连接，然后在棱台体侧面按对角线位置添加杆单元，形成单元拉力和压力的平衡而得到稳定自平衡的张拉整体式棱台结构，多个张拉整体式棱台结构通过节点搭接绳单元或节点搭接节点的方式组合拼装成本装置。
本实施例的棱台状张拉整体式可折叠/展开装置，由两个图1所示的张拉整体式四棱台结构，采用节点搭接绳的方式组合拼接而成。该装置的折叠状态如图2所示，展开状态如图3所示。
本实施例中张拉整体式可折叠自稳定系统，包括承受压力的不锈钢压杆，长度随拉力变化的拉绳。其中压杆和拉索通过节点连接，节点均为铰接点，压杆和拉绳均可在节点处自由转动。
如图1所示，根据实际工程需要选择合适长度的压杆以及拉绳，按照棱台体的顶点和棱边的连接关系，将结构的节点和绳单元进行连接，接着添加杆单元，完成自平衡稳定的张拉整体式四棱台结构的搭接。
如图2和图3所示，将搭接好的四棱台结构的大端面上的四个节点，分别连接到另一个四棱台结构的大端面上的节点之间拉绳的中点位置，组合构成棱台状张拉整体式可折叠装置，组合的棱台状折叠装置为自平衡稳定装置。
为便于拼接，本发明的折叠装置采用其伸展状态的位置关系进行组装，组装完成后，结构处于零载荷展开状态，如图3所示。下面将对装置折叠伸展过程详细叙述：
(1)折叠过程：将处于展开形态的装置一端的四个节点固定，在另一端四个节点施加大于临界载荷值的压缩载荷，装置将不断被压缩，压缩到一定程度之后，装置将出现一次翻折，自动收展成稳定的折叠形态，完成收展。
(2)展开过程：将处于折叠状态的装置小端面上四个彼此相连的节点固定，在另外四个彼此相连的节点施加大于临界载荷值的拉伸载荷，装置将不断被拉伸，拉伸到一定程度之后，装置将出现一次翻折，自动伸展成稳定的展开形态，完成伸展。
本发明提供了一种棱台状张拉整体式自稳定新型折叠装置，能够在外部载荷作用下实现稳定的折叠展开，并且具有可靠的抗冲击能力，解决目前对于质轻、材料利用率高、抗冲击好、刚度可调、稳定可靠的可折叠装置缺乏问题。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种棱台状张拉整体式自稳定折叠装置，其特征在于：包括杆单元、绳单元和节点，绳单元和节点按照棱台体棱边和顶点的连接关系进行连接，然后在棱台体侧面按对角线位置添加杆单元，构成张拉整体式棱台结构，多个张拉整体式棱台结构通过节点搭接绳单元或节点搭接节点的方式组合拼装成本装置；
所述张拉整体式棱台结构不少于2个；
两个张拉整体式棱台结构在面积相同的底面进行组合拼接；
所述杆单元为不锈钢压杆，所述节点为铰接点，压杆和绳单元在节点处自由转动；
该装置按照棱台体的顶点和棱边的连接关系，将结构的节点和绳单元进行连接，接着添加杆单元，完成自平衡稳定的张拉整体式四棱台结构的搭接；
将搭接好的四棱台结构的大端面上的四个节点，分别连接到另一个四棱台结构的大端面上的节点之间拉绳的中点位置，组合构成棱台状张拉整体式可折叠装置，组合的棱台状折叠装置为自平衡稳定装置；
该装置存在两种稳态模式，分别为折叠状态和展开状态，具体为：
（1）折叠过程：将处于展开形态的装置一端的四个节点固定，在另一端四个节点施加大于临界载荷值的压缩载荷，装置将不断被压缩，压缩到一定程度之后，装置将出现一次翻折，自动收展成稳定的折叠形态，完成收展；
（2）展开过程：将处于折叠状态的装置小端面上四个彼此相连的节点固定，在另外四个彼此相连的节点施加大于临界载荷值的拉伸载荷，装置将不断被拉伸，拉伸到一定程度之后，装置将出现一次翻折，自动伸展成稳定的展开形态，完成伸展。
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