CN111186175B - 一种可折叠膜杆结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可折叠膜杆结构，包括四边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜的技术方案及六边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜的技术方案；所述四边形框架由四根杆件以及连接四根杆件的四个铰链节点构成，四个铰链节点包括内部两个内部铰接节点和两个外部铰接节点，内部铰接节点与外部铰接节点交替布置；马鞍形折纸薄膜为具有四个外边的矩形可折叠膜，四个外边分别固定在四根杆件上。在折展过程中，同一根杆件的两端运动方向相反，闭合框架同一条对角线上的两个节点分别向着闭合框架完全展开状态下另一条对角线上两个节点转动轴线交汇点的方向运动。该结构单元具有一个自由度，可折叠为紧凑的捆状，在折叠/可展膜杆结构体系、太阳能电池板中具有很好的应用前景。

Description

一种可折叠膜杆结构
技术领域
本发明是一种应用于太阳能可折叠电池板设计、建筑结构设计和现代空间结构设计的方法，特别是涉及一种可折叠的膜杆结构。
背景技术
普通面对称形式和三面体形Bricard机构结合，可以获得三重对称Bricard机构。三重对称Bricard机构完全展开时呈一个正三角形平面，完全折起时各杆件在空间重合成一条直线，但是在实际装配的过程中物理杆件是具有体积的，不能实现完全的展开和折起。选取三重对称Bricard机构作为研究对象，该机构在任一状态下，六个转动副的轴线形成两个汇交点，可分别取这两点作为变异后节点位置，即完全折叠状态，同时六个转动副的轴线与相对水平面的交点形成平面三重对称六边形，即完全展开状态。该形式称为三重Bricard机构的变异形式，该形式满足在折叠时紧密贴合，并且能够完全展开的要求。
马鞍形折纸折叠过程中，相邻顶点分别朝着相反的方向向折纸中心运动，直至折纸的顶点重合，最终折叠成线形。一个折叠的超对称马鞍形折纸在折叠过程中具有双稳态的特性，两个稳定配置彼此对称，为多功能设备和元表面的开发设计提供了新的方向。
目前三重Bricard机构在航空、机器人等领域的应用研究较多，但具有用力过猛时折叠过程中容易发生碰撞损坏的缺点。马鞍形折纸具有无法实现完全折叠、折叠过程难以掌握、折纸容易损坏等缺点。当两种机构结合后，可以克服马鞍形折纸薄膜无法完全折叠和折叠困难的缺陷，并且折叠后的刚性杆对薄膜具有保护作用。所以开发设计基于三重Bricard机构的膜杆单元具有重要的意义。
发明内容
技术问题：本发明提供一种可拓展、衍生，能高效应用于可折叠结构体系中的两种可折叠膜杆结构。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明第一种可折叠膜杆结构的技术方案是：
一种可折叠膜杆结构，其特征在于，包括四边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜；所述四边形框架由四根杆件以及连接四根杆件的四个铰链节点构成，四个铰链节点包括内部两个内部铰接节点和两个外部铰接节点，内部铰接节点与外部铰接节点交替布置；马鞍形折纸薄膜为具有四个外边的矩形可折叠膜，四个外边分别固定在四根杆件上；四根杆件形成的闭合框架在完全展开状态时，整体形状为一个正方形框架，两个外部铰链节点转动轴线的交汇点与两个内部铰链节点转动轴线的交汇点分别位于正方形框架上下两侧，在折展过程中，同一根杆件的两端运动方向相反，闭合框架同一条对角线上的两个节点分别向着闭合框架完全展开状态下另一条对角线上两个节点转动轴线交汇点的方向运动。
所述杆件皆为刚性杆件，杆件截面为正方形，截面边长为a，杆件长度均为1，其中
Figure BDA0002377650290000021
杆端截面与杆件轴线的夹角为45°，所述矩形可折叠膜的边长为b，目.
Figure BDA0002377650290000022
所述内部铰接节点设置在杆件内表面处，所述外部铰接节点设置在杆件外表面处；相间的一个内部铰接节点和一个外部铰接节点位于一个二维正方形几何的对角线顶点处。
矩形可折叠膜在折展过程中的折叠方式采用马鞍形折纸的刚性折叠方式，折痕呈辐射状正方形，总共有4M条折痕，其中M为大于4的奇数，矩形可折叠膜在折叠过程中始终保持双曲线抛物面，褶皱变化稳定，且其折痕会发生一定的扭转。
矩形可折叠膜与四个杆件形成的闭合框架的连接方式为铆钉固接或铰接。
本发明第一种可折叠膜杆结构，与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明中的可折叠膜在折展过程中的折叠方式采用马鞍形折纸的单自由度刚性折叠方式，折展比较大，并且其在折叠过程中始终保持双曲线抛物面，褶皱变化十分稳定，其折痕会发生一定的扭转，但在折叠过程中具有十分好的稳定性，能够通过折展形成较大的空间；
(2)本发明中的四个矩形截面杆构件形成的闭合框架和可折叠膜在折展过程中运动趋势一致，折展过程中的整体形状呈马鞍形，两者在折展过程中也具有较高的运动协调程度，两者作为一个整体共同协调运动，并具有单自由度；
(3)本发明中的四个矩形截面杆构件形成的闭合框架为可折叠膜提供了可靠的边界支撑和约束，使得可折叠膜在折叠和工作时的稳定性和边界刚度大大提高，使得该基于马鞍形折纸的可折展结构得以跨越较大的跨度；
(4)本发明提出的可折展结构只有一个自由度，充分利用了马鞍形刚性折纸与闭合环形机构的优势，结构折展比较大，具有较高的整体刚度和较好的稳定性，易于精度控制和运输保存；
(5)本发明提出的一种基于马鞍形折纸的可折展结构可以作为一个基本折叠单元进行模块化拓展与衍生，并且可以根据实际需要设计基本折叠单元的大小和尺寸。
本发明第二种可折叠膜杆结构的技术方案是：
一种可折叠膜杆结构，其特征在于：包括六边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜；所述六边形框架由六根杆件以及连接六根杆件的六个铰链节点构成，六个铰链节点包括内部三个内部铰接节点和三个外部铰接节点，内部铰接节点与外部铰接节点交替布置；马鞍形折纸薄膜具有六个外边，六个外边分别固定在六根杆件上；在非工作态下，同一根杆件的两端运动方向相反，分别向着完全展开状态下六个铰链节点转动轴轴线的两个交汇点运动，实现结构的可折叠性能：当所有杆件轴线都与交汇点所在直线平行时，六根杆构件相互聚拢，中间的薄膜也随之相互聚拢，使可折叠膜杆结构折叠为紧凑的竖向一字状。
所述六根杆件均为刚性杆件，杆件长度均为l，截面均为边长为a的正三角形，其中
Figure BDA0002377650290000031
杆件两端截面与轴线成60度角；马鞍形折纸薄膜为边长为l的正六边形折纸薄膜，折痕呈辐射状正六边形，总共有12N条折痕，其中N为大于4的偶数，在正六边形马鞍形折纸薄膜任意一对边中线所在方向上相邻折痕间距相等。
所述马鞍形折纸薄膜和杆件通过胶接或铆钉固接连接。
所述内部铰接节点布置在六边形框架角边的内表面，所述外部铰接节点布置在六边形框架角边的外表面。
本发明第二种可折叠膜杆结构，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明首次将三重对称Bricard机构和马鞍形折纸薄膜结合，折叠过程中，外部的刚性框架对内部的薄膜起保护和牵引作用，有利于折叠运动的进行；薄膜为框架的折叠提供阻力和缓冲，有利于转化外部能量，避免框架杆件间的过激碰撞。
本发明中的Bricrad机构和马鞍形折纸薄膜折叠规律相似，运动过程呈马鞍形，两者作为整体可以一致运动，是具有良好折叠性能的单自由度体系。
本发明通过外部刚性杆件给薄膜提供约束，克服薄膜折叠的不完全性，非工作状态下节约储存空间，运输方便。
本发明提出的可折展结构能以小空间提供大的有效展开面积，工作面积大，折叠比大。
本发明提出的一种基于三重对称Bricard机构的可折叠膜杆结构单元可以作为一个基本折叠单元进行模块化拓展与衍生，并且可以根据实际需要设计基本折叠单元的大小和尺寸。
附图说明
图1a-图1b为本发明实施例一可折叠膜杆结构处于完全展开状态时的三维示意图和俯视图。
图2a-图2b为本发明实施例一可折叠膜杆结构处于半折叠状态示意图。
图3a-图3b为本发明实施例一可折叠膜杆结构处于完全折叠状态时的三维示意图和俯视图。
图4是矩形截面杆构件的结构示意图。
图1和图2中，细线均表示马鞍形折纸薄膜的折痕，其中实线表示峰线，虚线表示谷线。所有图中20表示矩形可折叠膜，21、22、23、24分别表示形成矩形闭合框架的四根矩形截面杆构件，25、26、27、28分别表示连接两根矩形截面杆的四个铰链节点。
图5a、图5b为本发明的实施例二可折叠膜杆结构完全展开状态三维示意图和俯视图。
图6a、图6b为本发明的实施例二可折叠膜杆结构半折叠状态示意图。
图7a、图7b、图7c为本发明实施例二可折叠膜杆结构的完全折叠状态三维示意图和俯视图。
图8为杆件的截面示意图。
以上示意图中，细线均表示马鞍形折纸薄膜的折痕，其中实线表示峰线，虚线表示谷线。所有图中7、8、9、10、11、12分别表示位于六边形六个角边处的六个铰链节点，13表示马鞍形折纸薄膜，14、15、16、17、18、19表示六个固定连接，1、2、3、4、5、6表示六根杆件。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明：
实施例一
1.构件连接关系。
本发明的可折叠膜杆结构，如图1所示，该结构包括四个铰链节点、四个矩形截面杆件和一个矩形可折叠膜，所述的四个铰链节点25、26、28和27分别位于一个二维正方形几何按逆时针顺序的四个顶点处；所述的四个矩形截面杆件分别为24、21、22和23，矩形截面杆件24和21通过铰链节点26连接，矩形截面杆件21和22通过铰链节点28连接，矩形截面杆件22和23通过铰链节点27连接，矩形截面杆件23和24通过铰链节点25连接，矩形截面杆件24、21、22和23通过铰链节点逆时针依次连接形成正方形闭合框架，矩形折叠膜20与四根矩形截面杆件构成的闭合框架内侧表面连接。一条对角线上的两个铰链节点位于四个矩形截面杆构件形成的闭合框架外表面，另一条对角线上的两个铰链节点位于闭合框架的内表面。
本发明中，可折叠膜与四个矩形截面杆构件形成的闭合框架的连接方式为刚性连接(铆钉固接或胶接)。
2.构件的几何参数。
本发明中，四个矩形截面杆件24、21、22和23皆为刚性杆件，如图1-a所示，杆件截面为方形，截面边长为a，杆件长度均为1，其中
Figure BDA0002377650290000051
杆件边缘线与水平面夹角为45°，矩形可折叠膜20的边长为b，且
Figure BDA0002377650290000052
3.结构的组装。
本发明中，四个矩形截面杆构件根据闭合环形机构(Bennett机构)的构造特征和连接方式，首尾相连形成闭合框架，在完全展开状态时，整体形状为一个正方形框架，如图1所示；其在折展过程中，同一根杆件的两端运动方向相反，闭合框架同一条对角线上的两个节点分别向着闭合框架完全展开状态下另一条对角线上两个节点转动轴线交汇点的方向运动，整体形状类似于马鞍形，如图2所示；在折叠最终状态时，整体形状为一个上下表面不规则的棱柱，如图3所示；此闭合框架在整个运动过程中只有一个自由度，具有较好的刚度和稳定性。
4.结构的可折叠性。
本发明中，可折叠膜在折展过程中的折叠方式采用马鞍形折纸的刚性折叠方式，图1为其在完全展开状态下为平面折纸；在折叠状态下形成四折痕折纸，如图2-a所示，矩形可折纸薄膜为边长为b的正方形折纸薄膜，工作状态下折痕呈辐射状，由位于N个同心正方形上的4N条折痕和位于正方形折纸薄膜对角线上的4N条折痕构成，其中N为大于4的奇数；本发明中位于同心正方形上的折痕，在矩形可折叠薄膜中心指向薄膜边缘的方向上，位于同一个正方形上的折痕种类相同，位于不同正方形上的折痕峰线折痕和谷线折痕间隔排布，相邻峰线折痕与谷线折痕间间距可以不同，共有2N条峰线折痕和2N条谷线折痕；本发明中位于矩形可折叠膜对角线上的折痕，在相邻两个同心正方形的折痕间，沿对角线排布四条峰线折痕或四条谷线折痕，并且在矩形可折叠膜中心点与四个顶点的四条连线上，N/2条峰线折痕和N/2条谷线折痕交替排布；矩形可折叠薄膜折痕总数为8N；除靠近正方形中心的四个折痕顶点有三条峰线外，其余每个折痕顶点处有一条峰线三条谷线或一条谷线三条峰线，矩形可折叠膜厚度不计。并且其在折叠过程中始终保持双曲线抛物面，膜内不产生较大的应变，褶皱变化稳定，其折痕会发生一定的扭转，但在折叠过程中具有不错的稳定性。在保持刚性折叠的情况下，可以用薄板替代闭合框架内部的薄膜，刚性折叠规律不变。
本发明中，可折叠膜和四个矩形截面杆构件形成的闭合框架在折展过程中运动趋势一致，折展过程中的整体形状都是马鞍形，两者在折展过程中也具有较高的运动协调程度。
综上所述，由于本发明所提出的基于马鞍形折纸的可折叠膜杆结构具有单一自由度，折展比率大，整体刚度较大，具有较好的整体稳定性，因此具有易于生产、便于储藏和运输、折展比高、便于拆卸的优点，在航空航天、空间结构、机械工程和日常生活中得到广泛的应用。
实施例二
1.构件连接关系。
如图5和图6所示，本发明的基于三重对称Bricard机构的可折叠膜杆结构共包括六个铰链节点、六个固定连接，一张马鞍形折纸薄膜以及六根杆件。图5中粗线表示杆件，共六根杆件，包括杆件1、2、3、4、5、6，所述杆构件均为同类杆件，六根杆件首尾相连呈对称布置构成正六边形外框，每根杆件与其相邻杆件在公共节点处通过铰链连接；六个铰链节点7、8、9、10、11和12分别在正六边形框架角边的内外表面间隔排布，其中节点7、9、11布置在六边形框架角边的内表面，节点8、10、12布置在六边形框架角边的外表面；铰链转动轴为正六边形框架角边所在直线。图5中细线表示马鞍形折纸薄膜的折痕，其中细实线表示峰线，细虚线表示谷线。马鞍形折纸薄膜13位于正六边形框架中央，并与六边形外框通过六个固定连接(胶接或者铆钉固定)14、15、16、17、18和19连接。
2.构件的几何参数。
如图5和图6所示，用l表示六边形的边长，六根杆均具有相同的几何长度l，截面均为边长为
Figure BDA0002377650290000071
的正三角形，杆件两端截面与杆件轴线成60度角。本发明中马鞍形折纸薄膜为边长为l的正六边形折纸薄膜，工作状态下折痕呈辐射状，由位于同心正六边形上的6N条折痕和位于正六边形折纸薄膜对角线上的6N条折痕构成，折痕总数为12N，其中N为大于4的偶数；本发明中位于同一个正六边形上的折痕种类相同，不同的正六边形上峰线折痕和谷线折痕间隔排布，共有3N条峰线折痕和3N条谷线折痕；本发明中位于相邻两个同心正六边形上的折痕之间，沿对角线排布六条峰线折痕或六条谷线折痕，正六边形折纸薄膜中心点与六个顶点连接的任意一条直线上，N/2条峰线折痕和N/2条谷线折痕交替排布；本发明中除靠近正六边形折纸薄膜中心的六个折痕顶点有三条谷线外，其余每个折痕顶点处有一条峰线三条谷线或一条谷线三条峰线；本发明中马鞍形折纸薄膜厚度不计。
3.结构的组装。
将加工好的杆件和薄膜构件，通过六个铰链节点和六个固定连接，按照前述连接关系组装在一起，最终得到的结构即为基于三重对称Bricard机构的可折叠膜杆结构单元，且工作状态下整个结构处于稳定的自平衡状态。
4.结构的可折叠性。
在非工作状态下，基于三重对称Bricard机构的可折叠膜杆结构单元中的马鞍形折纸薄膜在折叠过程中始终呈中心对称的马鞍形，折痕间的平面不弯折，为刚性折叠。
在非工作态下，基于三重对称Bricard机构的可折叠膜杆结构单元同一根杆件的两端运动方向相反，分别向着完全展开状态下六个铰链转动轴轴线的两个交汇点运动，运动过程中马鞍形折纸薄膜呈中心对称的马鞍形，实现结构的可折叠性能：当所有杆件轴线都与交汇点所在直线平行时，六根杆构件相互聚拢，中间的薄膜也随之相互聚拢，使所述的膜杆结构单元折叠为紧凑的竖向一字状。如图7所示。

Claims (5)

1.一种可折叠膜杆结构，其特征在于，包括四边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜；所述四边形框架由四根杆件以及连接四根杆件的四个铰链节点构成，四个铰链节点包括内部两个内部铰接节点和两个外部铰接节点，内部铰接节点与外部铰接节点交替布置；马鞍形折纸薄膜为具有四个外边的矩形可折叠膜，四个外边分别固定在四根杆件上；四根杆件形成的闭合框架在完全展开状态时，整体形状为一个正方形框架，两个外部铰链节点转动轴线的交汇点与两个内部铰链节点转动轴线的交汇点分别位于正方形框架上下两侧，在折展过程中，同一根杆件的两端运动方向相反，闭合框架同一条对角线上的两个节点分别向着闭合框架完全展开状态下另一条对角线上两个节点转动轴线交汇点的方向运动；所述杆件皆为刚性杆件，杆件截面为正方形，截面边长为a，杆件长度均为l，其中
Figure FDA0003181402100000011
杆端截面与杆件轴线的夹角为45°，所述矩形可折叠膜的边长为b，且
Figure FDA0003181402100000012
所述内部铰接节点设置在杆件内表面处，所述外部铰接节点设置在杆件外表面处；相间的一个内部铰接节点和一个外部铰接节点位于一个二维正方形几何的对角线顶点处。
2.根据权利要求1所述的可折叠膜杆结构，其特征在于，矩形可折叠膜在折展过程中的折叠方式采用马鞍形折纸的刚性折叠方式，折痕呈辐射状正方形，总共有4M条折痕，其中M为大于4的奇数，矩形可折叠膜在折叠过程中始终保持双曲线抛物面，褶皱变化稳定，且其折痕会发生一定的扭转。
3.根据权利要求1所述的可折叠膜杆结构，其特征在于，矩形可折叠膜与四个杆件形成的闭合框架的连接方式为铆钉固接或铰接。
4.一种可折叠膜杆结构，其特征在于：包括六边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜；所述六边形框架由六根杆件以及连接六根杆件的六个铰链节点构成，六个铰链节点包括内部三个内部铰接节点和三个外部铰接节点，内部铰接节点与外部铰接节点交替布置；马鞍形折纸薄膜具有六个外边，六个外边分别固定在六根杆件上；在非工作态下，同一根杆件的两端运动方向相反，分别向着完全展开状态下六个铰链节点转动轴轴线的两个交汇点运动，实现结构的可折叠性能：当所有杆件轴线都与交汇点所在直线平行时，六根杆构件相互聚拢，中间的薄膜也随之相互聚拢，使可折叠膜杆结构折叠为紧凑的竖向一字状；所述六根杆件均为刚性杆件，杆件长度均为l，截面均为边长为a的正三角形，其中
Figure FDA0003181402100000013
杆件两端截面与轴线成60度角；马鞍形折纸薄膜为边长为l的正六边形折纸薄膜，折痕呈辐射状正六边形，总共有12N条折痕，其中N为大于4的偶数，在正六边形马鞍形折纸薄膜任意一对边中线所在方向上相邻折痕间距相等；所述内部铰接节点布置在六边形框架角边的内表面，所述外部铰接节点布置在六边形框架角边的外表面。
5.根据权利要求4所述的可折叠膜杆结构，其特征在于，所述马鞍形折纸薄膜和杆件通过胶接或铆钉固接连接。
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