CN113366179B - 组装和应用中的预加应力正弦构件 - Google Patents

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Abstract

正弦形构件单元和支撑构件单元是形成具有挠曲特性的预加应力组件的零件。正弦形构件是已经弹性变形的松弛材料构件。支撑构件维持所述正弦形构件的弹性变形状态。所述正弦形构件和所述支撑构件被组织成包含储存的弹性势能的预加应力曲线组件，所述弹性势能等于使它们的预加应力结构变形的力所做的功。所述组件的正弦形构件和支撑构件适于使用具有优异机械特性和挠曲强度的材料。这包括纳米复合材料。所述组件的预加应力状态增强其机械、电气和结构性能。组件/结构内的所述正弦形构件单元和所述支撑构件单元的大小、数量、密度和可能的几何构型是巨大的。这种正弦构建系统的产品具有机械和结构应用，并且可使用自动化过程制造。

Description

组装和应用中的预加应力正弦构件
背景技术
技术领域
本发明涉及具有储存的弹性势能的复合材料构件，其用于形成用于结构和机械应用的预加应力高性能材料组件。
现有技术简述
具有超出或等同于自然界中发现的那些的物理和行为特性的新材料激发了本发明。
当前的构建系统和方法可能无法有效地应用从自然界配制和调整并且超出材料科学的新材料的特性。为了得到最佳性能，构建系统及其部件材料的特性应当是互补的，并且可能是共同改造的。
材料科学的进步将导致对新颖系统和方法的改造，该新型系统和方法以最佳方式使用新材料的物理、工程和机械特性。根据本发明的系统和方法通过将高性能材料独特地预加应力到基本正弦形构件中以形成组件来有效地使用高性能材料。
互连预加应力正弦件的这种基本系统/方法提供了新型组装平台，该新颖组装平台能够储存弹性势能，以形成用于机械和结构应用的优异结构和机构。
预加应力
对材料构件和组件预加应力以增强其性能的方法已经应用了数千年。早在开发出结构工程的数学工具之前，材料预加应力的方法就已经以试错的方式使用。预加应力已被视为工程设计项目期间遇到的问题的非常规解决方案。新材料的开发可能会改变这种观念。
材料预加应力是指在材料或结构内引入内应力以提高其性能。预加应力已经并且被认为可用于大型基础设施，诸如桥梁、管道、飞机机身等。预加应力在包括微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)的微米级和纳米级装置、结构和组件的开发中发挥着越来越大的作用。
目前的预加应力技术主要应用于钢结构和/或混凝土结构。混凝土在性质上是通用的并且成本低廉，但由于其强度特征和沉重重量，不能用于所有应用。出于该原因，预加应力结构钢在重量减轻是使结构正常工作的关键问题的应用中是有利的。
预加应力钢的理念已被证明在经济性和强度方面具有相当大的益处。然而，钢的预加应力从未像其混凝土对应物一样蓬勃发展。钢的预加应力尚未被充分利用，也很少被研究。发生这种情况的原因不明，但可能是因为钢构件不具有在预加应力配重组件内有效地起作用所必需的弹性特性。预加应力钢的缺点还可能在于必须保护和维护钢结构构件以防止腐蚀。
虽然预加应力钢是有用的，但由于预加应力高性能复合材料的轻重量、相对强度、挠曲特性和弹性变形能力，使用该复合材料要优越得多。
本发明的部件被设计成使用新复合材料。与钢不同，新的高性能碳基复合材料固有地耐腐蚀，具有高强度和轻重量。包括本发明产品的复合材料结构可用于钢筋混凝土或用于独立的机械或结构应用。将碳基复合材料结构用于钢筋混凝土，每年可节省数十亿美元因钢筋混凝土腐蚀引起的修复和更换成本。
许多行业正在转向使用复合材料，因为它们对任何应用都显示出单个最重要的考虑因素：与强度相比的低重量。复合材料技术的进步正在迅速发生；它们通过将碳纳米结构引入非导电聚合物来耦合材料的电气和机械特性的潜力将变得越来越重要。
关于预加应力对复合材料的机械和电气性能的影响，进行了很少的研究。已知复合材料结构中的缺陷的范围可以从微观脱粘到制造异常，这些制造异常造成应力局部集中，并且可导致变形期间的材料失效。
当复合材料如碳纤维增强聚合物(CFRP)弯曲时，极端(外部)的纤维经受最大的应力。如果这些纤维没有缺陷，则挠曲强度将由这些完整纤维的强度控制。鉴于此，本发明将重点放在材料表面和材料剖面结构的特性上。
尽管常规复合材料如CFRP在预加应力时可能由于材料缺陷而失效，但纳米复合材料显示出改善的挠曲强度、挠曲模量、以及因此越来越稳定的预加应力特征。
直到最近才开始研究预加应力对复合材料的微观组分如碳纳米管(CNT)的影响，以及在微观水平评估对该预加应力的响应的宏观变化。
将碳纳米管(CNT)和其他碳同素异形体组装成稳固的宏观结构仍然是利用其非常好的机电和结构特性的挑战。由于组装好的CNT之间的相互作用较差，基于CNT的纳米结构仍然遭受蠕变和应力松弛，但纳米复合材料的断裂韧性和整体性能的增强正在稳步进行。例如，在2017年，石墨烯纳米片(f-GNP)和氮化硼纳米管(BNNT)被用作杂化纳米填料，从而使纯环氧树脂的断裂韧性提高了92％。
控制含有碳同素异形体的纳米复合材料的三维微架构将导致具有非常好的特性的多功能超材料。通过有限元分析(FEA)预测的CNT的弹性特性与增强聚合物样本测试数据相对应。FEA结果表明，CNT体积分数对CNT增强聚合物复合材料的弹性模量具有显著影响。
本发明所使用的示例性材料是稳固的、纯弹性和非耗散性的纳米复合材料。有可能将会开发出具有这些物理工程特性的此类材料。常规CFRP将在本发明的上下文中起作用，但限制了可能的工程设计项目的范围。
预加应力复合材料的物理和工程特性优于类似预加应力钢材料。本文描述的预加应力的方法/系统可以是材料预加应力技术的进步，并且允许材料预加应力作为实用结构和机械工程工具出现。
本发明是使用预加应力三维构件来形成组件的构建系统。这些构件在组件内预加应力并保持在弹性变形状态。如果移除预加应力，则这些预加应力构件应经受完全可恢复(无永久变形)的弹性变形。
随着构件的预加应力/变形发生，产生与施加的预加应力相反的内力和分子间力。如果施加的力不太大，则这些分子内和分子间力足以完全抵抗施加的力，并且允许构件呈现新的平衡状态(预加应力状态)。如果或当施加的力被移除时，预加应力构件可返回到其原始状态(松弛状态)。
这些预加应力三维构件将弹性应变能储存在它们的弹性变形材料中。储存在构件材料和结构中的弹性应变能是势能，并且该能量理想地等于使结构变形的施加的力所做的功。
如果预加应力构件从其变形状态释放，则其储存的势能也可以完全释放。从热力学的角度来看，如果材料不能耗散能量，即主体不能将功转化为热量并且所有机械功都可恢复，则该材料是弹性的。该系统可使用接近完美弹性体的理想材料的新种类材料。也可使用具有线性或非线性应力-应变关系的材料。
被设计成储存弹性势能的构件通常将具有较高的弹性极限；然而，所有弹性构件对它们可承受的负载都有限制。当变形超过弹性极限时，构件将不再返回到其原始形状。钢的弹性变形能力次于许多复合材料。钢合金将不会预加应力和/或弹性变形到包括纳米复合材料的高性能复合材料(HPC)将预加应力和/或弹性变形的程度。因此，HPC更能够弹性变形成一系列形状，包括正弦。
通过弹性变形对复合材料进行的预加应力以及这样对材料和结构韧性、拉伸强度、弹性模量和挠曲特性的影响是本发明主要关注的。
对复合材料预加应力的方法也可在其组成纤维和/或分子水平上起作用，而不需要通过弯曲使材料变形。例如，在固化期间控制复合材料纤维张紧是可能的。此外，多壁碳纳米管(MWNT)可通过具有明显较小的间壁而被预加应力，从而显著增强其机械特性，超过了普通MWNT的机械特性。也有迹象表明，CNT可通过它们在拉挤过程期间经受的力而被预加应力和取向。在复合材料制造期间在分子和/或纤维水平上对其预加应力可增强本发明单独通过弹性变形对材料预加应力的能力。
许多复合材料的优异机械特性允许利用钢不可能实现的预加应力的形式和量。将特殊材料(包括但不限于多孔固体和纳米复合材料)以所有规模引入构造范围，将改变预加应力组件被设计和应用的方式。
本发明对预加应力复合材料的使用将减轻重量并增加组件的相对强度，远远超过钢的能力。具有优于钢的挠曲特性的复合材料可产生不需要水泥的非常坚固的复合结构部件，该复合材料使用被设计成利用特定材料属性的方法来被预加应力。鉴于材料科学的轨迹，重量轻、极其坚固且具有独特挠曲特性的预加应力组件将是可行的。
此类高性能预加应力复合材料组件可独自用作结构或机械装置，或者被包裹在多孔固体材料形状中，包括由泡沫和微格子代替水泥产品形成的那些形状；因此，维持高性能复合材料的重量优势。复合材料科学的进步将允许组件的预加应力变得足够先进，以使其使用在一系列应用中成为惯例。
诸如钢之类的材料缺乏以使挠曲构件成形为具有储存的弹性能量的预加应力结构和机械构件所需的方式弹性变形所必需的挠曲特性。
除了其他方法之外，预加应力构件已通过弯曲并且通过预偏转，使用筋状件来产生。力矩重分布预加应力由支撑水平的操纵产生以在构件内引起弯曲应力。力矩重分布是更复杂的预加应力方法，并且与本发明使用的方法最为相似。在力矩重分布中，可以操纵支撑位移的方向和大小以实现期望的力矩分布。这类似于本发明所使用的方法，但是是较不严格的预加应力方法。通过使力矩沿着构件的长度交替/振荡，在构件内引起弯曲应力，可以形成预加应力正弦波形状的构件。储存在变形构件中的弹性势能可被认为类似于储存在横向驻波中的动能。
本发明采用的预加应力方法使用沿着构件的长度垂直取向、周期性分布的弯矩以在弹性应变下形成正弦形状。鉴于许多应用，通过将构件可逆弯曲成正弦形状来预加应力是增强构件性能的有效方法。就其性质而言，正弦状形状可以是用于预加应力和用于弹性能量储存的完美形状。正弦的模拟特性赋予其无限可变的振幅和波长，这与弹性能量储存和结构完整性的特性相对应。材料的弹性变形和弹性能量储存的物理特征与正弦的振幅和波长的关系允许产生具有一系列挠曲特性的预加应力正弦形构件。
细长正弦形构件的挠曲屈曲是可被本发明用来增强正弦组件的机械和/或结构行为的现象。当受到轴向压缩的弯曲构件(梁)达到导致突然弯曲的水平时，发生屈曲。正弦形构件屈曲可发生在组件的挠曲区域中。正弦形构件(挠曲梁)的增加的弯曲可导致突变屈曲、滞后和环形成。导致随后突变屈曲的大偏转可能是由于构件在组装中的弯曲和扭曲引起的，并且可为可逆的。被设计成展示挠曲扭转屈曲的组件的改造将具有包含挠曲元件的挠曲区域，该挠曲元件用作设计挠曲件，该设计挠曲件具有在受到引起大偏转的力时弹性屈曲而不是突然失效的能力。
正弦波形
波现象在自然界中无处不在。波几乎是物理学每个分支的基础。示例包括水波、声波、电磁波(无线电波、光、X射线、伽马射线等)，在量子力学中被视为粒子的描述的波等。一些特征对于大多数波都是通用的，例如它们可由基本三角波函数很好地近似。
许多共振或振荡的物理系统产生准正弦运动。如果材料具有弹性特性并且在一定区域内的粒子被设定为处于振动运动，则将传播弹性波。振动的特征在于变形。当振荡能量被引入系统时，波形自然地出现，从而允许振荡能量储存在弹性变形主体中。
正弦波形作为自然界主要的能量储存和传递方法之一而出现。物质中产生的波可被比作从物质变形的波。
驻波可由弹性介质内的扰动产生，并且该波包含势能。类似地，具有弹性变形为正弦形状的长度和剖面的直结构构件也具有势能。正弦驻波和弹性变形的正弦波构件特性的相似性将表明，当用于在具有长度和横切面的材料构件中储存弹性势能时，正弦是示例性形状。
如果本领域的普通技术人员要通过使弹性材料零件变形并将其作为挠曲构件保持在应力下来对其预加应力，则将提供均匀应力并且需要最少体积的形状可以是波(正弦曲线)。因为波形是储存弹性能量的有效载体并且是具有长度和宽度的形状，所以正弦曲线将自然是模拟弹性材料的变形和预加应力特征的有效形状。
具有挠曲特性的弹性变形正弦构件的形状反映在沿着其长度存在的振荡张力和压缩力的复杂图案中。正弦形状表示挠曲构件深度内的分子畸变和应力分布。正弦形构件是预加应力的正弦构件。
结构/组件
本发明利用挠曲构件。挠曲构件是在其深度内同时受到拉伸和压缩的构件。本发明是形成预加应力波结构的系统，该预加应力波结构使用挠曲应力和与弹性变形相关联的弹性应变能作为工具，以在结构和机械上优于先前设计的构建系统，该构建系统依赖于由专门经受张力、剪切力和/或压缩力的直结构构件形成的组件，如桁架。
用该系统构建的结构不是桁架，并且可以不需要支柱。本发明使用预加应力挠曲构件作为在指定范围的弹性行为内弹性变形而不屈服的结构构件。通过挠曲构件使用高性能材料(可能是理想的弹性或超弹性材料)，增强了这种弹性变形而不屈服的能力。超弹性材料在某种意义上是真正有弹性的，即当施加负载并随后移除负载时，材料返回到其原始形状而在该过程中没有任何能量耗散。
常规构造方法由未被预加应力并且不是挠曲构件的结构构件来构建组件。常规构造方法形成结构，这些结构未被设计成柔性的，也不是结构性的。当外力导致其材料变形时，这些非柔性结构更可能经受不受控制的弹性不稳定。由预加应力正弦构件构建的结构可通过以下方式很好地适于利用其细长构件的弹性不稳定性：允许这些细长构件的受控屈曲，继而使它们构成的组件的形状发生突然变化(构象变化)。
挠曲构件通过它们被预加应力和预偏转而适于变形。预加应力自然地引导构件进一步变形，该进一步变形由外力造成。结构构件的预加应力状态是其平衡状态。预加应力状态等于在组装中保持构件的内应力之和。外力改变预加应力/平衡状态。被设计到组件中的挠曲自由度引导其因外部负载而进一步变形。这种预加应力方法很好地适于形成吸收外部负载的动态和柔性组件。
挠曲构件经受许多力，并且它们之间存在数学关系。负载、剪切力、弯矩、斜率和偏转必须全部考虑。叠加原理可被表述为在结构中由多个负载同时作用而产生的给定点处的偏转。叠加原理是用于解决挠曲构件装载问题的最重要工具之一，允许简化非常复杂的设计问题。对于受到不同类型负载的挠曲构件，可以在构件主体内的任何位置处找到所产生的剪切力、弯矩、斜率和偏转。
结构内的预加应力构成其内部负载，并且这些力相互作用以形成其平衡状态。外部负载是施加到预加应力结构的可变力。由于本发明的挠曲性质，当与设计成主要经受轴向压缩力和拉力的常规结构系统相比时，它可以提供更大的保护，以防止由于复杂的外部装载情况而导致的失效。本发明在吸收来自破坏性自然力、冲击爆炸和其他动态能量源的能量方面是优异的。
由本发明的组装方法形成的预加应力格子结构与依赖于可压缩元件作为支撑元件的任何制造的桁架系统相比，可具有优异的强度重量比。本发明使用具有挠曲特性的挠曲元件来形成包含弹性势能的挠曲结构，可以使该挠曲结构通常优于具有较小内应力的常规非挠曲结构。
发明内容
正弦曲线在物理学上是基本的。许多共振或振荡的物理系统产生准正弦运动。波不仅仅是具有时间、方向和频谱特征的能量的抽象表示。本发明由物理正弦结构构件构建组件，该物理正弦结构构件具有许多与自然界中观察到的正弦曲线/波相同的特性。
本发明是使用很少的零件类型由弹性变形的挠曲构件构建预加应力组件的新颖和基本的方法。构成预加应力组件的基本零件类型是三维物理正弦形构件和支撑构件。这两种基本零件类型可具有大量变体。支撑构件变体可采取环、n边形、可膨胀构件或线性支柱的形式。这些支撑构件变体中的每一者都可具有嵌入其结构中的有源或无源电子电路。
正弦形构件变体可具有任何预先确定的剖面和/或长度。这种预加应力和构造方法不受规模、特定几何布置或单独零件数量的限制。
三维物理正弦形构件是具有挠曲特性的预加应力构件。如果允许预加应力正弦形构件通过移除其预加应力而松弛，则构件将不再是正弦的形状，并且将变得松弛和笔直。
许多这些正弦形构件在组件内保持在预加应力状态。在组装中，每个单独预加应力正弦形构件具有储存的弹性势能。
挠曲件是被改造成在特定自由度下有顺应性的柔性元件或元件组合。挠曲件可以是正弦形构件或其构成的组件的一部分。正弦形构件由沿着其长度形成的多个挠曲元件/挠曲件形成。构成正弦构件的长度的最小挠曲元件为λ/2。该λ/2挠曲元件/挠曲件是正弦形构件的最小限定单元，其包含弹性势能。保持在挠曲元件中的这种量的势能对应于形成它的弯矩。
组件的正弦形构件通过单独的支撑构件彼此连接。组件的支撑构件是连接预加应力正弦形构件的支架。支撑构件的功能是在组装中在正弦形构件之间定位、连接和传递力。
在没有支撑构件的情况下，正弦形构件不能保持其正弦形状并且不会被预加应力或储存势能。支撑构件抵抗并吸收由弹性变形的正弦形构件向其施加的力。由于组件的预加应力，支撑构件还可在组件内弹性变形并且还储存势能。
组件可以像由支撑构件保持在反相取向的两个正弦构件一样简单，以使包含许多离散零件的挠曲格子结构复杂。特定组件的几何组织和结构复杂性将由工程设计项目的目标决定。项目目标还将考虑构成正弦形构件和支撑构件的材料的机械性能以及这些构件的形状。
使用该预加应力正弦构建系统构建的结构可形成子组件。子组件是指相对简单的组件，其结合以形成较大的组件或零件的完整集合。如果子组件不与其他子组件结合，则它也可以是组件。
正弦形构件的预加应力维持在组件内并且以平衡状态存在。预加应力正弦形构件之间存在的平衡状态可通过在组装中异相地保持和定位它们来实现。异相关系是指组装中正弦形构件的相对物理取向。
组件中所有预加应力正弦构件之间的相位相互关系允许预加应力平衡并在组件中维持静态平衡状态。与相位差相关联的力/力矩通过支撑构件从一个正弦形构件传递到另一个正弦形构件。
当组件内的正弦形构件的离散预加应力通过它们的反相取向相互作用时，它们之间可能发生相位抵消和力均衡。组件内的正弦形构件之间存在的这种反相构型允许预加应力处于平衡并被储存为弹性势能。在构成正弦形构件的材料中储存为弹性势能的每个预加应力力矩/力被组件内的一个或多个相反的力抵消。
正弦构件的预加应力可以在组件内均匀分布或不均匀分布。如果构成组件平衡状态的预加应力(势能的储存)在整个组件中均匀分布，则组件将不会变形，并且其中性轴将是直的。如果构成组件平衡状态的预加应力不均匀地分布，则组件可变形，并且其中性轴将反映该结构变形。
组件的预加应力也可被认为是均匀或不均匀地分布在组件/结构的剖面形状上。如果组件的势能/预加应力能量不均匀地分布在组件的剖面形状上，则质心轴和中性轴不一致，并且组件将变形。无论特定组件的预加应力如何分布，其形状都将具有相同的拓扑结构。
中性轴是在组件/挠曲件(抵抗弯曲的构件)的剖面中不存在纵向应力或应变的轴。如果截面是对称的、各向同性的并且在发生弯曲之前不是弯曲的，则中性轴位于几何质心处。
本发明的应用可包括但不限于用于增强混凝土和多孔泡沫或对其预加应力的预加应力组件、独立结构和上部结构应用、航空航天设计挠曲件和航空结构。挠曲件是被改造成在特定自由度下有顺应性的柔性元件或元件组合。
本发明的示例性应用可以是对混凝土结构预加应力并且可能使该混凝土结构偏转，以便抵消在其投入使用时施加到其的外部负载(称为工作负载)，以下方法适用。示例性预偏转技术可能需要将处于偏转状态的正弦组件包裹在混凝土中(并且可能保持在轴向张力下)，然后释放。由偏转的正弦组件施加在混凝土上的力然后被取向成抵消外部负载。
具有均匀和不均匀分布的预加应力的组件可采取包含具有不同振幅、不同材料特性的正弦形构件的组件，或由具有可控刚度的智能材料形成的组件的形式。支撑构件的设计以及其在组装中的取向也可影响正弦组件内预加应力的分布。
需要挠曲偏置和/或特定自由度的组件可被设计成适合特定应用。组件的结构和行为特性可通过控制其组成正弦形构件的挠曲特性来预先确定。
使用此类特别改造成在减重力环境中运行的预加应力结构和机构具有巨大的潜力。
自动化组装
本发明的另一方面是用于形成正弦形构件和支撑构件并将它们连接成具有储存的弹性势能的预加应力组件的自动化过程。这包括通过将构件单元彼此连接而将多个构件单元组装成预加应力结构的步骤，单元中的每一者被连接或适于被连接。连接的单元根据预先确定的几何形状形成组件的结构。
在该自动化过程中可能涉及机构。在正弦形构件的形成期间，这些机构使松弛构件的长度的区域弹性变形以形成挠曲元件。在挠曲元件完全形成后，它成为结构和功能挠曲件的一部分。注：在挠曲元件形成之后将预加应力引入组件中。这些挠曲元件在成为组件的一部分时变成挠曲件。挠曲件沿着挠曲构件/正弦形构件的长度放置，并且可在组装期间被赋予不同程度的应力。
组件在自动化组装过程期间根据其零部件的弹性变形来被预加应力。自动化组装过程可通过特别调整的计算机程序来控制，并且可以特别地控制在组装期间通过弯矩施加以形成挠曲元件的预加应力的量。还可特别控制沿着正弦形构件的长度构成连续挠曲件的挠曲区域的弹性变形。这种控制水平可允许高度可适应和可变的预加应力方法在自动化组装期间实时地起作用。这种动态组装方法可允许结构呈现具有针对特定应用定制的特征和特性的形状。组件的特征可以是预先确定的，或在组装过程期间进行调整。适应性制造/组装将需要实时决策部件和反馈环路机构。
通过工程设计过程，可以预先确定组件内的正弦形构件和支撑构件的机械和/或结构特性。不同构件的形状、储存在不同构件中的弹性势能、用于形成不同构件的材料特性以及组件的物理几何形状将决定组件的功能。
一些组件设计或制造方法可能需要支撑构件和正弦形构件形成为单独的材料零件，而其他可能需要它们在材料上是连续的(由同一块材料形成)。如果它们通过减材或增材制造过程由单块材料形成，则正弦形构件和支撑构件的功能虽然相互依赖，但在组件中仍然明显分离。
用于通过自动化组装过程形成正弦形构件的松弛材料可以是任何长度并且可以使用拉挤过程来制造。在自动化组装过程中使用的支撑构件可以是平面的和几何形状的，并且可以使用增材制造过程来生产。
支撑构件和/或正弦形构件可以在组装期间结合互补的连接方法。此类方法可以整合到它们的材料结构中，或者可以涉及使用离散零件或材料，例如夹具、销或粘合剂。
附图说明
在其中示出了本发明的各种可能的实施方案中的若干实施方案的附图中，对应的附图标记是指对应的零件，在附图中：
图1A是示出用于形成正弦形构件的松弛构件的示例性概念的正交视图。
图1B是示出由松弛构件形成的正弦形构件的示例性概念的正交视图，该松弛构件是线性、细长的并且由高性能复合材料制成。
图2A是描绘具有矩形剖面的松弛棱柱状梁的透视图。
图2B是描绘具有三角形剖面的松弛棱柱状梁的透视图。
图2C是描绘具有五边形剖面的松弛棱柱状梁的透视图。
图2D是描绘具有正方形剖面的松弛棱柱状梁的透视图。
图2E是描绘具有六边形剖面的松弛非棱柱状梁的透视图。
图2F是描绘具有矩形剖面的松弛非棱柱状梁的透视图。
图3A是示例性松弛棱柱状构件的透视图，描绘了其在形成为正弦曲线之前的剖面。
图3B是示例性松弛棱柱状构件的透视图，描绘了其在形成为正弦曲线之后的剖面。
图4A是描绘波长的物理波参数的正交视图。
图4B是描绘振幅的物理波参数的正交视图。
图4C是描绘物理波相位关系的正交视图。
图5A是松弛细长锥形梁的正交视图。
图5B是细长锥形梁在变成预加应力阻尼正弦形构件之后的正交视图。
图6A是具有规则周期的正弦形构件的正交视图。
图6B是图6A的空间频率的正交视图，并且被取向为示出它们共享的相位几何形状。
图6C是阻尼正弦形构件的正交视图。
图6D是图6B的空间频率的正交视图，并且被取向为示出它们共享的相位几何形状。
图6E是构件轴线和空间频率的透视图。
图6F是将弯矩示出为将松弛构件成形为弹性正弦形构件的力箭头的正交视图。
图6G是示出正弦形构件、其空间频率和支撑构件位置之间的关系的透视图。
图7A是示出正弦组件的透视图，该正弦组件标记了正弦形构件、支撑构件、组件的轴线以及带有阴影的单独正弦构件的轴线。
图7B是透视图，示出组件的正弦形构件并且标识了打断组件长度的波节和波腹的位置。
图7C是将弯矩描绘为沿着正弦形构件长度的力箭头的正交视图。
图7D是正交视图，描绘了正弦形构件以及打断组件长度的单元支撑构件。
图7E是由各种正弦形构件(呈黑色)和各种支撑构件类型(呈红色)形成的示例性正弦结构的正交视图。
图7F是展示分支的示例性正弦结构的前视图。
图7G是展示分支的示例性正弦结构的侧视图。
图7H是展示分支的示例性正弦结构的顶视图。
图7I是展示分支的示例性正弦结构的透视图。
图8A是示例性正弦平面组件的透视图。
图8B是组装中的正弦形构件的平面取向和组织的纵向顶视图。
图8C是示例性径向组件的透视图。
图8D是组装中正弦形构件的径向组织和平面取向的纵向顶视图。
图8E是示例性封闭形式多边形组件的透视图。
图8F是组装中的正弦形构件的3边形组织的纵向顶视图。
图9A是示例性4边形正弦组件的透视图。
图9B以纵向顶视图描绘了正弦形构件4边形构型。
图9C以纵向顶视图描绘了正弦形构件和支撑构件4边形构型。
图9D是示例性6边形正弦组件的透视图。
图9E以纵向顶视图描绘了正弦形构件6边形构型。
图9F以纵向顶视图描绘了正弦形构件和支撑构件6边形构型。
图9G以透视图描绘了使用不同样式的支撑构件的另一封闭形式的多边形组件。
图9H示出图9G中描绘的6边形测试样本的照片。
图9I是示例性8边形正弦组件的透视图。
图9J以纵向顶视图描绘了正弦形构件8边形构型。
图9K以纵向顶视图描绘了正弦形构件和支撑构件的8边形构型。
图10A是挠曲格子组件的透视图。
图10B是示出挠曲格子的二十一个子组件中的一者的透视图。
图10C是格子组件的纵向顶视图。
图11A示出由4边形子组件构建的两个挠曲格子组件的透视图。
图11B示出这些格子组件的纵向顶视图；这包括正弦形构件和支撑构件。
图12A是由纵向取向的正弦形构件和环型支撑构件形成的管状/n边形组件的透视图。
图12B是由纵向取向的正弦形构件和支柱型支撑构件形成的不可能的(不可支撑的)管状/n边形组件的透视图。
图12C是由周向取向的正弦形构件和支柱型支撑构件形成的管状组件的透视图。
图13A是组件的透视图，该组件具有径向取向的正弦形构件和自由波腹，因为它使用轴向支撑构件。
图13B是具有径向取向的正弦形构件的组件的透视图，其中波腹附接到环型支撑构件。
图14A是未偏转组件的正交视图。
图14B是偏转组件的正交视图。
图14C是在实体上施加力的偏转组件的透视图。
图15A是结合了等边三角形支撑构件的完整组件的透视图。
图15B描绘了具有和不具有支撑构件的纵向的组件。
图15C是结合了一种类型的柔性支撑构件的完整组件的透视图。
图15D描绘了具有和不具有支撑构件的纵向的组件。
图15E是结合了一种类型的柔性支撑构件的完整组件的透视图。
图15F描绘了具有和不具有支撑构件的纵向的组件。
图15G是具有自由波腹和桁架型支撑构件的完整组件的透视图。
图15H是具有自由波腹并结合了一种类型的柔性支撑构件的完整组件的透视图。
图15I描绘了图15H的具有和不具有支撑构件的纵向的组件。
图16A示出未偏转的梁组件。
图16B示出由于示出为力箭头的外力所引起的组件弯曲。
图16C示出组件弯曲的内部处的进一步压缩以及细长正弦形构件的后续变形和扭曲。
图16D描绘了组件的进一步变形以及正弦构件在弯曲的内部处的突变屈曲(成环)。
图17是组件的透视图，其示出了使用各种支撑构件设计来维持其正弦形构件的预加应力状态。
图18A是描绘不垂直于组件的轴线取向的支撑构件的透视图。
图18B是图18A的细节。
图18C是由轴向取向的可膨胀支撑构件支撑的正弦结构的正交视图。
图18D是由松弛构件、支柱支撑构件和可膨胀支撑构件(104)形成的组件的正交视图，该可膨胀支撑构件未在松弛构件(100)上施加力以使它们偏转。
图19A示出由具有两个不同振幅的正弦形构件构成的挠曲梁组件的两个透视图。
图19B示出具有不同振幅的正弦构件的正交视图，并且还示出组装中的正弦构件的纵向顶视图。
图20A示出具有不同波长的正弦构件，并且还示出它们作为其一部分的完整组件。
图20B示出组装中的正弦构件的纵向顶视图。
图21A是包含具有反相关系的正弦构件的组件的正交视图。
图21B是包含异相的正弦构件的组件的正交视图。
图22A是被组织以形成具有异相构件的正弦结构的正弦平面的正交视图。
图22B是正弦平面变形成为n边形管的正交视图。
图22C是形成为由倾斜的正弦构件构成的管的正弦平面的正交视图。
图22D是正弦管的正交视图，描绘了其螺旋二级结构。
图23A是由阻尼正弦形构件和支撑构件形成的棱柱状梁组件的透视图。
图23B是组件的阻尼正弦形构件中的一者的正交视图。
图23C是组件的正弦形构件的纵向顶视图。
图23D是组件的支撑构件的纵向顶视图。
图23E是正弦形构件和支撑构件的纵向顶视图。
图23F是阻尼和锥形正弦形构件的正交视图。
图23G是六个组成阻尼和锥形正弦形构件的被组织组件的正交视图。
图23H是组件的支撑构件组织沿着其长度的正交视图。
图23I是由阻尼和锥形正弦形构件和环支撑构件形成的非棱柱状梁组件的透视图。
图23J是形成具有扇形状和平面几何形状的组件的阻尼正弦形构件的透视图。
图23K是由阻尼正弦形构件和轴向支撑构件形成的扇形平面几何形状测试样本的照片。
图24A是由被取向为形成平面的具有深度(矩形剖面)的正弦形构件构建的组件的透视图。
图24B是具有径向取向的正弦形构件的组件的透视图，该正弦形构件具有矩形剖面。
图24C是图24B中描绘的组件的纵向视图，注：细长柔性环支撑构件。
图24D是由4边形取向的子组件形成的格子组件的透视图。
图24E是图24D中描绘的正弦形构件的纵向视图。
图24F是图24D中描绘的支撑构件的透视图。
图25A是由具有深度和矩形剖面的正弦形构件形成的平面组件的透视图。
图25B是由正弦形构件形成的平面的透视图，该正弦形构件具有在组装中相交的轴线，从而形成几何格子。
图26A是具有大量多轴挠曲区域的格子结构的透视图，该多轴挠曲区域赋予组件高性能挠曲弹性特性。
图26B是剖面细节的透视图。
图27A是在未偏转时具有特定自由度的组件的透视图。
图27B是在偏转时具有特定自由度的组件的正交视图。
图28A是在组装中由多个预加应力正弦形构件构建的挠曲系统的透视图和侧视图。
图28B是铰接的挠曲系统的透视图和侧视图。
图29A是由在组装中由轴向和支柱支撑构件保持的具有矩形剖面的四个正弦形构件形成的预加应力挠曲件的透视图。
图29B是由在组装中由支柱支撑构件保持的具有矩形剖面的四个正弦形构件形成的预加应力挠曲件的透视图。
图30A是将正弦结构描绘为被铰接的挠曲件联接器的透视图。
图30B是将正弦结构描绘为处于其松弛状态的挠曲件联接器的透视图。
图31A描绘了可用于加强固体材料的示例性预加应力格子结构的透视图。
图31B描绘了图31A中描绘的示例性格子组件的纵向视图。
图32A是具有不均匀分布的预加应力的组件的透视图。
图32B是描绘具有不均匀分布的预加应力的组件的截面图，该组件具有通过将其置于张力下而正常化的偏转。
图33A是示出为包裹在固体材料中的组件的截面图。
图33B是由正弦形构件构成的弯曲正弦结构的透视图，该正弦形构件在组装期间具有施加到其的不同量的应力。
图33C是被形成为具有预先确定的形状的组件的透视图。
图34A是遵循螺旋路径的正弦组件的透视图。
图34B是遵循螺旋路径的正弦组件的透视图，其中螺旋螺线被接合以形成管。
图34C是正弦组件的螺旋螺线相互接合(“拉链”)的透视图。
图35A是锥形六边形子组件的透视图。
图35B是互连的锥形六边形子组件的透视图。
图35C是形成弯曲表面的互连锥形六边形子组件的透视图。
图36A是示例性支撑构件的正交视图。
图36B是示例性松弛构件的正交视图。
图36C是示例性正弦形构件的正交视图。
图36D是由支撑构件支撑的正弦形构件的透视图。
图36E是示例性正弦组件的透视图。
具体实施方式
本发明的预加应力方法受到自然界中的波行为以及波如何在系统内有效地移动、储存和传递能量的启发。这种能量储存和能量传递的“自然”方法/系统引导由高性能复合材料形成的物理波形状的构件所构建的组件的构建和预加应力。
自然界中的波在与其相互作用的其他波的背景中吸收和传递能量。类似地，在组装中与其他预加应力正弦形构件保持在一起的波形状的构件(正弦形构件)用于在组装中在其他构件之间传递势能。当应用于人造物理结构的构建时，自然界中波现象的动态和复杂特征可在技术上超越常规组装方法。
该系统使用预加应力材料构件和材料支撑构件来形成稀疏结构，该稀疏结构的材料在组装期间变形。该变形是弹性的，应力-应变关系称为胡克定律，并且弹性应变能储存在结构的材料构件中。
在组装过程期间，弯矩导致材料构件的弹性变形。如果在组装期间施加的力被释放，则这种变形的材料将返回到其原始形状。在组装期间施加到材料的力在分子水平上导致材料弯曲、应力和应变。这种应力和应变的物理和行为特征由材料的弹性模量和/或挠曲模量定义。
保持在组装好的系统结构内的应变能储存器由其弹性材料的变形产生。该能量储存器旨在增强结构的性能。
这些组件是高能复合材料结构，其在组装期间通过其零部件的弯曲而弹性变形。这些结构包含应变能作为组件，其不存在于单独的直的松弛线性构件和支撑构件零件中。组装过程使所有预组装的直的线性材料构件挠曲并在其上施加应力。组装过程使预组装的直的结构构件弯曲并自然地弯曲成正弦形构件。后组装的正弦形构件和支撑构件成为作为单元工作的挠曲件设计的系统。所形成的结构被预加应力，可以是稳定的，并且其内应力处于平衡。在组装期间和之后，支撑构件零件也可经受弹性变形并“承受”应力。
图1A描绘了具有长度和宽度的离散的、直的、松弛的线性构件(100)单元。图1B描绘了弹性变形为具有弹性势能的离散正弦形构件(102)单元的相同松弛线性构件。松弛线性构件和弹性变形的正弦形构件在拓扑上是等效的。
如图2A-图2F所描绘的，具有长度的松弛构件(100)可具有各种横剖面几何形状。图2A-图2D将示例性松弛构件描绘为具有不同剖面形状的棱柱状梁；分别是矩形、三角形、五边形和正方形。具有非棱柱状几何形状(纵向变化的几何形状)的构件也可用作细长弹性材料构件。
非棱柱状梁的示例在图2E-图2F中描绘。弹性材料条、杆和其他细长构件是基本的物理结构，由于它们的简单性，它们在本发明的上下文中可以以许多不同尺寸和规模作为可行结构而存在。图2E描绘了具有六边形剖面的锥形轴。图2F描绘了具有矩形剖面的锥形梁。
图3A-图3B将松弛的线性构件的横剖面和正弦形构件的横剖面描绘为在拓扑上是等效的。图3A中描绘的松弛构件(100)变形/预加应力成图3B中描绘的示例性正弦形构件(102)可以不改变其剖面形状。剖面形状带有阴影。
正弦形构件是具有空间频率、振幅和波长的物理波参数的铰接梁。图4A-图4C描绘了在组装中可由物理正弦形构件展现的物理波参数的示例。图4A描绘了具有振幅特性的若干离散的正弦形构件单元(102)。图4B描绘了具有波长/空间频率特性的若干离散的正弦形构件单元。图4C描绘了具有相位偏移特性的若干离散的正弦形构件单元。
预加应力正弦形构件的物理“波参数”可随该构件的长度、宽度和深度而变化。形成正弦形构件的松弛线性构件的物理尺寸和材料特性也可沿着其长度、宽度和深度变化。这种情况的示例可以是由锥形松弛线性构件形成的复合材料阻尼正弦形构件。图5A描绘了锥形/非棱柱状松弛线性构件(100)。图5B描绘了弹性变形为离散正弦形构件(102)单元的相同松弛线性构件，该离散正弦形构件单元沿着其长度衰减被阻尼和渐缩。渐缩反映了振幅沿着其长度的逐渐变化(衰减)。正弦形构件和形成其的松弛构件均是锥形的，并且均是非棱柱状梁。由正弦形构件表现的波参数可沿着其长度、宽度和深度变化。
图6A-图6D描绘了正弦形构件的结构和空间频率。空间频率是在其空间位置上是周期性的任何结构的特征。该空间频率对应于描述正弦形构件的平滑重复振荡的数学曲线。基于频率的空间阻尼也可应用于正弦形构件的周期性。图6A描绘了正弦形构件，并且图6B描绘了其规则空间频率。正弦形构件的λ/2区域由其空间频率表示。这些λ/2挠曲区域打断正弦形构件的长度以形成一系列连续挠曲件。图6C描绘了阻尼正弦形构件，并且图6D描绘了其空间频率衰减特征。阻尼正弦形构件由一系列连续挠曲件形成，这些挠曲件反映正弦形构件的逐渐变化的波特性。
图6E-图6G描绘了示例性正弦形构件的特性。图6E描绘了空间频率(a)与正弦形构件(102)波结构和正弦轴线(b)的关系。图6F描绘了单个正弦形构件(102)，其中周期性异相弯矩沿着其长度施加。这些振荡变形力和/或交替的正弯矩和负弯矩被表示为箭头。力箭头的取向和大小对应于施加在构件上的力的方向和强度。图6G描绘了单个正弦形构件(102)，其中支撑构件(104)沿着对应于其空间频率(a)的其长度定位。正弦形构件可以是具有空间周期和挠曲强度的细长正弦构件。正弦形构件不能作为独立单元存在；它必须通过支撑构件连接到其他正弦形构件以维持其形状。
图7A-图7E描绘了示例性组件中的正弦形构件和支撑构件的各方面。图7A描绘了组装以形成正弦结构的示例性预加应力正弦形构件(102)和支撑构件(104)。一个正弦形构件带有阴影。组件的轴线(c)和正弦构件的轴线(b)被表示为组件长度的纵向。该组件特别包含两个预加应力正弦形构件和十三个支撑构件。每个正弦形构件包含六个完整的波周期、十四个波节和十三个波腹。支撑构件的位置反映了正弦形构件的物理波参数。需要最少两个正弦形构件来形成组件。正弦形构件在空间周期组件内具有反相关系。
图7B-图7D描绘了该示例性预加应力组件的正弦结构的各方面。在图7B中，波腹(d和d*)被示出为沿正弦构件的长度的点。波腹表示正弦经历最大位移的位置。波节(e)被示出为零位移处的点，并且沿着每个正弦构件的轴线(b)存在。沿着正弦构件的长度的波腹位置对应于其空间频率。组装时的波腹具有两种类别：远侧波腹(d)和近侧波腹(d*)。这基于它们与组件的轴线(c)的相对位置。远侧波腹距组件的轴线的距离最大，而近侧波腹距组件的轴线的距离最小。远侧波腹和近侧波腹标识正弦形构件的几何形状的区域，其中可发生连接。存在组件内的波腹不形成连接的情况。包含自由(未连接到另一个正弦形构件)波腹的组件被称为不饱和的。饱和正弦组件使其所有波腹连接或互连到其他正弦形构件。两个正弦形构件被称为连接；如果多于两个正弦形构件加入，则它们是互连的。
在图7C中，沿着组件长度的弯矩的取向和大小被示出为力箭头。沿着正弦形构件长度的一阶弯矩和/或二阶弯矩的分布限定其形状和挠曲特性。一阶弯曲(预加应力)使构件的波成形；二阶弯曲是指完整组件的可能弯曲/变形。在图7C中，不存在变形。组件内正弦构件的二阶弯曲或侧向偏转在图33B-图33C中描绘。
在图7D中，两个正弦形构件(102)被支撑构件(104)保持在预加应力状态；在该示例中，支撑构件被特别设计成支撑具有相同振幅、波长和横切面的两个正弦形构件。支撑构件沿着正弦形构件的长度放置对应于其空间频率。在该示例中，组件内的力是平衡的，并且正弦形构件是相同的对立面。它们的相互作用可以被认为是相消干涉。每个正弦构件内的力/力矩大小相等，并在组装中作用在相反的方向上。
图7A和图7D中描绘的两个正弦构件被反相取向，并且通过支撑构件将波腹连接到波腹。在该示例中，近侧(内)波腹(d*)和远侧(外)波腹(d)通过支撑构件(104)连接以平衡正弦形构件(102)预加应力。由于预加应力正弦曲线在组装中包含相同的内力/弹性势能，因此它们处于静态平衡，并且由于这些力沿着组件的轴线(c)均匀分布，因此不存在二阶弯曲。
图7E描绘了由不同类型和取向的支撑构件和正弦形构件形成的各种示例性预加应力正弦结构。支撑构件以红色示出。正弦形构件以黑色示出。
更复杂的正弦组件也是可能的。图7F-图7I描绘了展示叉状分支的示例性正弦组件。该示例性结构由保持在预加应力状态下的12个正弦形构件构成，并且使用6边形支撑构件取向，该支撑构件遵循分支以形成同类结构的轨迹，每个同类结构由通过3边形支撑构件保持在适当位置的6个正弦形构件构成。图7F-图7I描绘了组件的正弦形构件(102)，每个正弦形构件由延伸组件长度的单块弹性材料成形。在这些正弦形构件(104)横穿组件的长度时，它们分成组以形成分支结构。通过所使用的支撑构件类型和/或设计变体来促进这样将构件分成组。图7I描绘了在分支发生之前和之后使用的支撑构件(102)类型。正弦形构件的波特性可能会随着它们遵循它们的分支轨迹而改变，特别是在构件分成组的分支区域处。
组件取向和组织
所提出的预加应力和构建方法包括但不限于正弦形构件以三种基本类型(平面、径向和n边形)在组件内的相对放置(组织)和取向。通过取向、连接和/或互连的正弦形构件，这种预加应力方法是可能的。本文中描述了这些取向。它们具体以各种视图呈现在图8A-图8F和图9A-图9K中，包括沿着组件长度和/或剖面的顶视图。
图8A-图8F描绘了在组装中定位和取向正弦形构件的三种方法，分别为线性、径向和作为封闭形式多边形。所描绘的三个示例性组件构型包含预加应力正弦形构件(102)及其相关联的支撑构件(104)。在这些示例中，离散支撑构件单元的几何形状被特别设计成在组装中在预加应力状态下支撑和保持正弦形构件。支撑构件的设计特定于给定组件的几何形状。这些示例性组件构型可用作包含多个和各种预加应力正弦形构件和支撑构件的组件的几何模板。
平面
图8A-图8B描绘了具有平面取向(平行于参考平面)的六个正弦形构件(102)，这六个正弦形构件通过支撑构件(104)在其波腹处纵向连接。图8A描绘了具有带有阴影的单个正弦形构件的正弦平面。图8B从上方纵向描绘了组件的六个正弦形构件的平面取向。注：结构的远侧波腹(d)可保持不连接到其他正弦构件。
径向
图8C-图8D描绘了对组件的轴线(c)具有径向对称取向的三个正弦形构件(102)。正弦形构件通过支撑构件(104)在其波腹(d)处纵向连接。注：组件使用两种不同的支撑构件设计。图8C描绘了具有带有阴影的单个正弦形构件的径向对称组件。图8D从上方纵向描绘了组件的三个正弦形构件的径向对称构型。注：结构的外围波腹可保持不连接到其他正弦形构件。
多边形
图8E-图8F描绘了具有等角n边形取向的三个正弦形构件(102)，这三个正弦形构件通过支撑构件(104)在其波腹(d)处纵向连接。图8E描绘了具有带有阴影的单个正弦形构件的3边形组件。图8F从上方纵向描绘了组件的正弦形构件的等角规则3边形构型。从顶视图来看，多边形的边是正弦形构件取向的轮廓，并且表示它们的振幅。图8E-图8F的3边形组件是许多可能的封闭形式多边形几何形状之一。注：开放的、封闭的、规则的和不规则的多边形共面正弦组织是可能的。
图9A-图9K描绘了4边形、6边形和8边形正弦形构件构型。这些组件中的每个组件由处于等角/规则多边形构型的相同正弦形构件与处于反相取向的具有相等/偶数数量的正弦形构件构成。预加应力与组件的轴线(c)对称。因为组件具有均匀分布的内力(相对于质心轴)，所以它们的结构没有畸变。不存在二阶弯曲。图9A-图9K中描绘的组件包含被取向为形成管状多边形的正弦形构件。图9H是6边形测试样本的照片，并且图9G是该样本的代表性图。图9D和图9G-图9H中描绘的6边形结构使用不同的支撑构件(104)变体来维持其正弦形构件的预加应力状态。图9G-图9H和图15E-图15F中描绘的支撑构件经受类似的力。
二级结构是组件的形状；该形状可偏转或不偏转。二级结构/形状由组件的内部预加应力形成。偏转组件的结构可以是曲线、不规则球体、螺旋状物或其他几何形状。术语二级结构通常用于描述生物分子的形状。组件中可导致二级结构形成的预加应力类似于分子(组件)中导致蛋白质弯曲并影响其折叠和/或屈曲能力的分子内力(预加应力)。
图8A-图8F和图9A-图9K中描绘的示例性组件可用作子组件和/或用作几何模板，该几何模板用于形成复杂的格子和/或适应性结构，该结构包含根据规定几何形状组装的大量离散零件。
标记为子组件的结构可作为离散组件和子组件存在。当作为较大格子组件的一部分时，它们也可与相邻的“子组件”共享零件，从而当在较大组件中时使它们成为不离散的结构。子组件可用作格子的实际构建块，或者用作格子概念中的工程设计项目工具。
图10A-图10C描绘了预加应力挠曲格子结构的各方面。图10A中描绘的格子组件由具有径向对称几何形状的多个子组件形成。形成格子的单个部件子组件在图10B中描绘。子组件通过支撑构件在其远侧波腹(d)处彼此连接以形成格子组件。图10C描绘了该格子的纵向顶视图。
图11A-图11B描绘了规则4边形几何形状的预加应力挠曲格子结构。格子几何形状由正弦构件的平行取向限定，从而形成规则的四边多边形图案。组件中的单个正弦支撑构件带有阴影。图11B描绘了格子结构的纵向顶视图。
在可存在于复杂的预加应力组件中的内力的网络中，可存在迫使组件呈现二级形状的扭矩。力偶可产生扭矩，并且也可在组件内的相同平面中或平行平面中的任何地方通过相等大小和相反方向的力矩或另一力偶来平衡。
组件内的力
组装中的正弦形构件具有挠曲特性。如图12A-图12B所示，挠曲区域(f)可存在于组件内的支撑构件(104)之间。组件被挠曲区域(f)打断。挠曲区域由组件的空间频率限定。组件内的支撑构件具有空间频率，该空间频率对应于描述其平滑重复振荡的正弦形构件的数学曲线。
正弦形构件的存在于支撑构件之间的部分构成其挠曲区域。组装中在支撑构件之间存在的正弦形构件的长度形成该组件的挠曲区域。挠曲区域可形成由多个支撑构件包围的正弦组件的长度。挠曲区域的长度可通过打断其的终端支撑构件之间的距离来限定。挠曲区域需要至少两个支撑构件。
图12A中描绘的管状(12边形)组件具有沿其长度取向的正弦形构件和具有周期放置的环型支撑构件。在图12B中，正弦形构件也沿着管状(12边形)组件的长度取向，但是所使用的支撑构件是支柱/系杆并且如图所示在没有附加支撑构件的情况下无法维持所描绘的预加应力形状。图18C中描绘了使用附加(可膨胀)构件支撑的类似系统的示例。
图12C描绘了圆柱形/管状组件中的周向取向的正弦形构件(一个正弦形构件带有阴影)。正弦形构件相对于组件的轴线的取向改变空间频率和挠曲区域的取向。挠曲区域的取向将影响组件的结构特性。图12A-图12B将一个正弦形构件示出为有阴影的。
如图13A-图13B所描绘的，组件可包含或可不包含轴向支撑构件。图13A描绘了具有延伸结构长度的轴向支撑构件(104)的组件。该中央轴向支撑构件处于张力下并且功能类似于图13B中描绘的周期性放置的环形支撑构件(104)。这些环形支撑构件处于压缩下。由正弦形构件施加在支撑构件上的预加应力被表示为箭头。如果正弦形构件具有相同的尺寸和机械特性，则图13A中描绘的支撑构件所经受的力和图13B中描绘的支撑构件所经受的力是相等的。
由图13A中描绘的轴向支撑构件经受的拉伸应力可沿着其长度均匀分布(法向应力)或周期性分布(局部应力)。如果轴向支撑构件仅固定到正弦形构件的端部并允许在组件长度的其余部分内浮动，则张力沿着组件的长度均匀分布。如果轴向支撑构件在其波腹(d)处周期性地固定到正弦形构件(102)上，则轴向支撑构件(104)的拉伸应力将是周期性的，并且实际上轴向支撑构件变为经受局部拉伸应力的一系列构件。如果组件经受一种或多种横向负载，则固定或未固定到正弦形构件的波腹的轴向构件将影响组件的挠曲强度。图13A中描绘的组件具有自由波腹，并且被认为是不饱和组件。其线性支撑件的位置适形于组件的中性轴。
组件中的支撑构件(104)可以在类型和设计上有所不同，但全部具有相似的功能。支撑构件用于将正弦形构件保持在预加应力状态下，并且用于在组件内在弹性变形的正弦形构件之间传递力。如果组件的内力均匀分布并对应于组件的质心/质心轴，则组件可能是未偏转的结构。如果组件的内力不均匀分布并且与质心轴不对应，则组件将是偏转结构。图14A-图14B描绘了具有不均匀分布并且不对应于其质心轴的预加应力(内力)的组件。力相对于组件的质心轴的不均匀分布是由于正弦形构件(102)未将其预加应力相等地传递到组件中反相取向的正弦形构件而导致的。这些内力从一个正弦形构件到另一个正弦形构件的传递通过支撑构件(104)发生。图14A描绘了具有预加应力正弦形构件的组件，该预加应力正弦形构件被取向成使组件的中性轴和质心轴不会聚。这导致组件如图14B所示偏转。偏转组件可以用作成形和预加应力结构，该结构被设计成具有特定自由度和/或在特定负载应用下起作用。例如，图14C描绘了用于对固体材料梁预加应力的偏转组件。预加应力和预偏转组件被保持和包裹/浇铸在固体材料(如混凝土)形状内，该形状被设计成接受取向负载。轴向支撑构件(104)延伸预偏转组件的长度并且在其被包裹之前被置于张力下。轴向支撑构件随后被释放，从而将其内力传递到周围材料。
在组装中支撑构件
支撑构件可在组装中控制正弦形构件的组织。支撑构件是组件的支架。以此类推，支撑构件(104)和支架分子在组装中起到相似的作用并且经受相似的力。类似物可以是组蛋白和非组蛋白支架蛋白在染色体结构的形成中的作用。正如在染色体的支架环模型中一样，其中支架蛋白确定天然中期染色体的形状，并用作在特定结构域环中组织染色质的基础。建议在染色体浓缩期间，结构域环在应力下组织成规则的正弦结构。如同组装中的正弦形构件和支撑构件，染色体的结构包含机械应力并且该应力可以被组织成具有正弦形式。
图15A-图15I呈现了具有各种支撑构件设计的预加应力组件的示例。支撑构件可以是在其结构内经受拉伸、压缩和弯曲的挠曲构件。支撑构件设计用于有效地支撑、保持和成形正弦构件。支撑构件可经受压缩、拉伸和/或剪切力。它们也可能具有挠曲强度。支撑构件(104)可基于它们的支撑功能采取各种形式。
支撑构件可连接到并固定到正弦形构件，或者连接到并允许正弦形构件在它们的主体内铰接，即，正弦形构件可以在支撑构件内旋转或固定到其。支撑构件类型可以是但不限于线性支柱、张力环、压缩环、可膨胀构件和n边形形式。注：开放的、封闭的、规则的和不规则的多边形形状的支撑构件是可能的。
支撑构件设计和构造需要考虑多种因素。设计和制造过程通常将包括考虑因素：1)设计要求，2)可能的失效模式，3)应力分析，4)材料选择和行为，5)制造，和6)测试。
图15A-图15I呈现用于在组装中保持和支撑正弦形构件的各种支撑构件类型和设计。图15A、图15D、图15E、图15H和图15I描绘了具有各种改造的支撑构件设计的完整组件(图15H-图15I描绘了不饱和组件)。图15C、图15B和图15F和图15G示出组装中的正弦形构件的取向(全部具有相同的取向)，并且还示出了包括支撑构件的完整组件的顶视图。
图15A-图15B描绘了由九个正弦形构件和十三个支撑构件组成的组件。这些支撑构件可被描述为规则n边形支柱的组合。该组件中细长的正弦形构件全部具有相同的波参数，并且它们的预加应力在组件内均匀分布。不存在偏转。
图15C-图15D描绘了具有支撑构件的组件，该支撑构件具有环或圆拱的挠曲-扭转特性。组件的支撑构件的通用性在整体工程设计项目目标的背景中可见。例如，为了实现重量减轻、挠曲强度增加、成本降低、比负载能力、挠曲行为和挠曲强度的范围，工程设计、材料组成和制造方法必须全部被考虑。
图15E-图15F描绘了由九个正弦形构件和十三个支撑构件(104)组成的组件。这些支撑构件可被描述为具有环和/或支柱的拉伸和压缩强度。
图15G-图15I描绘了由支撑构件形成的组件，该支撑构件不需要与该结构内的所有可用波腹(d)进行连接。在这些组件中，正弦形构件维持其预加应力形状，同时具有自由波腹(d)。具有自由波腹的组件被认为是不饱和的，并且可具有饱和组件不具有的物理和行为特性。具有自由波腹的组件可以很好地适于形成挠曲机构。
图16A-图16D示出了处于前进序列的不饱和梁组件的铰接和挠曲屈曲。除了比具有饱和波腹的组件更具柔性之外，具有不饱和/自由波腹的组件可用作屈曲和/或折叠的装置/机构。组装中的细长正弦形构件使这成为可能。如图16A-图16D所示，当自由波腹区域被越来越多地压缩时，细长正弦形构件越来越多地弯曲、扭曲和屈曲以形成细长环。这种扭转挠曲屈曲行为可以在组件内作为单一的挠曲机构运行，或者作为使格子变形的方法成组地运行。能够屈曲的结构可具有两种稳定状态，未屈曲和屈曲，如图16A和图16D所描绘的。被突变屈曲的这种状态是可以在组件中维持一段时间的平衡状态并且可以是可逆的。该组件可体现为处于不同平衡状态的零件，包括稳定平衡，不稳定(或不安定)平衡和亚稳定平衡。稳定平衡状态(稳定状态)的特征可在于由一些外部干扰(力)引起稳定平衡状态。当这种干扰被移除后，系统将自行返回到初始平衡状态。如果系统处于不稳定平衡状态(不安定状态)下，系统将不会返回到初始状态，并且将逐渐变成新状态，即稳定平衡状态。甚至最轻微的外部干扰(力)也足以将系统移出其不安定(不稳定)平衡状态。最后，相对稳定平衡状态(亚稳定状态)被定义为系统长时间段保持的状态，并且导致系统偏离亚稳定状态的任何轻微干扰都不会导致系统逐渐变成另一种状态；外部干扰(力)一被移除，系统就将返回到初始亚稳定状态。另一方面，足够强的干扰将使系统脱离亚稳定状态，并且系统将逐渐变成新的稳定平衡状态。因此，亚稳定状态相对于稳定状态和不稳定状态而言是中间的。
图17描绘了包含被改造成维持其正弦形构件的预加应力状态的各种支撑构件(104)类型和设计的组件。通过在同一组件中组合各种类型的支撑构件，包括但不限于n边形、环、支柱、可膨胀和轴向支撑构件，可提供不同的结构和机械应用。这些应用的范围可以从复杂的变形格子结构到简单的顺应性机构。
与前面的示例不同，图18A-图18B描绘了具有平行和/或不垂直于组件的纵向轴线取向的支撑构件的组件。这些支撑构件不横切组件的轴线并且在它们的波腹处附接到正弦形构件。图18A示出了组件内带有阴影的单个正弦形构件。图18B是描绘组装中支撑构件的取向的特写图。图18A-图18B中描绘的环型支撑构件在组装时可具有挠曲强度、表现出挠曲行为并储存弹性势能。组件内支撑构件的取向不限于与组件的轴线正交、垂直或平行。
具有扩展和收缩能力的支撑构件还可用于在组装中维持正弦形构件。图18C描绘了具有可膨胀支撑构件(104)的组件，该可膨胀支撑构件轴向取向并施加维持预加应力正弦结构的形状所需的力。图18D描绘了在其可膨胀支撑构件的膨胀和对组件的其余部分施加力之前具有松弛构件(104)和支柱型支撑构件(104)的组件。当力被施加到结构时，支柱和/或支撑构件经受拉伸应力。可膨胀管状支撑构件的直径与组装中正弦形构件的波长和振幅而同步变化。
可膨胀支撑构件设计可呈现各种形状，并且当用于支撑正弦结构时可增强可膨胀结构的膨胀动力学。组装中的可膨胀支撑构件和其他部件可在组装期间互连以引导彼此的形成。
组装中的正弦形构件
振幅
具有相同空间频率的正弦形构件可在其波腹处通过独立于其振幅的支撑构件互连以形成组件。例如，图19A-图19B描绘了组装中的四个预加应力正弦形构件，所有构件都具有相同的波长和两个不同的峰峰振幅。在该示例中，支柱支撑构件用于连接构件并且将构件保持在预加应力状态下。图19A中描绘的组装中的正弦形构件(102)被预加应力成两种不同的形状和特定振幅。在组件中表示了具有特定振幅的两个正弦形构件。如果构件全部具有相同的材料特性，则它们的振幅可反映其弹性变形材料所包含的储存势能的量。图19B描绘了在组装中由正弦构件表示的两个不同振幅以及组件的顶视图。具有相同振幅值的正弦形构件彼此平行地取向以形成具有矩形剖面的棱柱状梁组件。在该多边形取向中，预加应力相对于组件的质心轴和中性轴是对称的。具有相同量的储存弹性能量的偶数/平衡数量的正弦构件沿着组件的轴线的取向允许结构被预加应力、平衡和不偏转。具有不同振幅的正弦形构件的组合不能形成等边或规则多边形剖面。
波长/空间频率
具有相同振幅的正弦形构件可在其波腹处独立于其波长和/或空间频率互连以形成组件。例如，图20A-图20B描绘了组装中的六个预加应力正弦形构件，所有构件都具有相同的振幅和两个不同的波长。在该示例中，支柱支撑构件在预加应力状态下连接、支撑和保持正弦构件。图20A中描绘的组装中的正弦形构件(102)被预加应力以形成具有两个不同波长的形状。存在具有一个波长的四个构件，和具有另一个波长的两个构件。图20B描绘了组件的顶视图。具有不同空间频率的正弦形构件彼此平行地取向以形成具有6边形剖面的棱柱状梁组件。在该规则多边形取向中，预加应力与组件的轴线对称。具有相同量的储存弹性能量的偶数数量的正弦构件沿着组件的轴线的取向允许结构被预加应力、平衡和不偏转。具有不同振幅的正弦形构件的组合不能形成等边或规则多边形剖面。
具有不同空间频率和不同振幅的正弦形构件也可连接以形成组件。具有一系列物理波参数的正弦形构件的互连可能会导致这些构件的正弦形状的变形，例如，组装中互连波形的倾斜。正弦构件的畸变或倾斜是由于组件内从一个构件到另一个构件的力的传递和均衡造成的。
相位关系
具有预先确定波长和/或振幅的正弦形构件连同所需支撑构件设计可独立于相位关系互连以形成组件。正弦形构件和支撑构件的可能组合和取向是广泛的。
具有相同波长的正弦形构件可在其波腹处连接，同时具有不同的相位关系。例如，图21A-图21B描绘了包含四个相同的正弦形构件的径向对称组件。在图21A中，组装中的正弦形构件全部具有反相关系。在图21B中，组装中的正弦形构件形成具有反相关系的波对，并且这些对也异相180度。在这两个示例(图21A-图21B)中，组件的近侧波腹(中心)(d*)连接到轴向支撑构件(104)，而远侧波腹(外围)(d)是自由的并且不连接到支撑构件(104)。图21A描绘了组件的正弦形构件以反相附接在其波腹处并由支撑构件保持在预加应力状态。图21B描绘了组件的两对预加应力正弦形构件，其异相180度并且通过处于张力下的轴向支撑构件(104)连接在其波腹处。形成正弦形构件的对反相连接。两个波对沿着组件的轴线彼此成90度取向。这些正弦形构件异相180度，并且在组件中没有倾斜或畸变。图21A-图21B中的预加应力与组件的轴线对称。图21A-图21B中描绘的轴向支撑构件被示出为带有阴影。
异相连接正弦形构件的另一种方法是使它们畸变。示例将是从平面结构形成封闭(螺旋)多边形组件。图22A-图22D示出了由异相的正弦形构件形成的平面成为封闭n边形(管)的顺序铰接成闭合的n边形(管)的顺序铰接。异相正弦形构件取向以形成封闭n边形形状，该形状是螺旋的并且被预加应力。与图21B不同，这种异相连接正弦形构件的方法在组装中使其波形畸变。点标识参考波腹(d)，可以遵循这些参考波腹来显示平面畸变的轨迹和组装中异相关系的正弦形构件。图22A将组件描绘为在其变得封闭、异相和畸变之前的未畸变平面。六个相同的预加应力正弦形构件在其波腹处连接。图22B描绘了异相畸变总共360度的正弦形构件平面组件。图22C将平面描绘为异相360度的封闭形式。正弦波形必须畸变以适应异相关系。正弦构件在组件中倾斜并形成锯齿波形。图22D在组件上叠加了螺旋形状，以强调由正弦形构件的异相关系产生的几何形状。组件的螺旋几何形状可赋予其可用的挠曲特性(挠曲强度和挠曲模量)，这些挠曲特性在没有二级结构的组件中未发现。
周期
具有沿着其长度不具有规则周期的空间频率/波长的正弦形构件可连接以形成组件。阻尼振荡不是周期函数，并且因此阻尼正弦形构件的空间频率沿着其长度不是均匀的。图23A-图23E描绘了用于形成棱柱状梁的阻尼正弦形构件。图23B描绘了组成阻尼正弦形构件单元。梁由三个径向对称的子组件形成。每个子组件由三个阻尼正弦构件构成。图23C从上方纵向描绘了组装中的九个正弦形构件的取向。图23D从上方纵向描绘了组装中的支撑构件。图23A和图23E总体地描绘了组件。其二十二个挠曲区域/区(f)之一被标记。
由阻尼正弦形构件构成的非棱柱状梁组件在图23F-图23I中描绘。组件中的每个阻尼正弦构件由锥形松弛构件形成。组成的锥形和阻尼正弦形构件示于图23F中。组装中的正弦形构件在图23G中具体描绘。结构的正弦构件是多边形组织的，但不是共面的。支撑构件在图23H中具体描绘。其支撑构件的设计和位置导致组件的阻尼周期和非棱柱状形状。图23I总体地描绘了锥形组件并且示出其对应于阻尼函数的挠曲区域(f)。
形成示例性预加应力平面组件的阻尼正弦形构件在图23J-图23K中描绘。在图23J中，扇形结构的分量正弦附接在其波腹处。随着形状扩展/展开，正弦波振幅增加而波长减小。在测试样本的照片中描绘了这种预加应力扇形构件取向的变化。图23K中描绘的测试样本具有协调连接的正弦形构件。注：谐波正弦波在其波节和波腹处形成连接。
正弦曲线尺寸和取向
长度-宽度-深度尺寸不同的正弦形构件可用于形成组件。图24A-图24E描绘了在组装中具有各种尺寸和取向的正弦形构件。图24A描绘了在平面取向上具有矩形剖面的正弦形构件(102)。正弦形构件通过支撑构件(104)在其波腹(d)处纵向连接。图24B-图24C描绘了具有处于径向对称取向的矩形剖面的正弦形构件(102)，该正弦形构件通过支撑构件(104)在其波腹处纵向连接。图24D-图24E描绘了正弦形构件(102)，其具有通过支撑构件(104)在其波腹处纵向连接的处于n边形构型的矩形剖面。该组件由一致的规则多边形形状组成，并且可形成4边形棋盘镶嵌布置。该柱形格子组件中的正弦形构件通过环形支撑构件(104)维持其预加应力状态。可被看作构成格子的4边形子组件是一致的，并且共享正弦构件。
正弦形构件和支撑构件可在预加应力组件内跨过多个轴线取向。图25A-图25B描绘了通过支撑构件(104)连接的具有矩形剖面的预加应力正弦形构件(102)。图25A和图24A以平面的形式描绘了正弦组件。挠曲区域(f)打断组件。图25B描绘了以90度角相交的两个平面。平面的轴线相交为“编织”组件。多个互连的平面组件可形成具有挠曲特性的格子。
图26A-图26B描绘了编织格子作为示例性挠曲结构梁，其说明本发明的原理。梁的挠曲格子体现了本发明的各向异性结构特性。梁内的大量挠曲区域将赋予其非常好的挠曲强度。例如，格子组件中的预加应力复合材料正弦形构件可用作“组织”筋状件。筋状件在运动期间拉伸和然后弹回，从而储存和返回弹性应变能；当作为失去和恢复动能的机车机构应用时，致密正弦格子结构可起到类似的节能作用。
应用
本发明证明预加应力正弦形构件形成用于结构和机械应用的工程设计项目的适用性。本文中呈现了用于功能应用的示例性组件。工程设计过程用来生产满足特定应用的需求的组件。
可使用对材料预加应力的该方法以形成具有挠曲特性和特定自由度的组件。图27A-图27B描绘了具有允许指定运动并防止在所有其他方向上的运动的顺应性方向的正弦梁组件。图27B从上方以侧视图描绘了被力偏转的组件。梁的偏转是通过多个挠曲区域(f)表现的累积偏转。每单位长度的挠曲区域的数量越大，偏转曲线越平滑。
挠曲件是被改造成在特定自由度下有顺应性的柔性元件或元件组合。挠曲件可以是正弦形构件或其构成的组件的一部分。
顺应性机构是利用弹性变形来实现其期望的运动的柔性结构。顺应性机构的挠曲行为可来自其组成挠曲构件偏转，进而来自构成它们的挠曲元件的偏转。使用本发明构建的顺应性机构可由连续挠曲元件所构成的正弦挠曲构件形成。这些零件转为形成挠曲系统。挠曲系统的构件和构成它们的元件具有挠曲特性。
图28A-图28B描绘了由预加应力正弦形构件挠曲件构建的复合材料横轴挠曲枢轴。这些挠曲接头中的若干者可组成机构。预加应力构件的维度和正弦几何形状可有助于提高挠曲枢轴的支撑刚度，该支撑刚度通常在大偏转期间大大减小。由于其优异的分辨率特征、低成本特征和易于制造，挠曲枢轴可有效地用作精密机器元件。由于与柔性构件的弯曲相关联的应变能，顺应性机构通常具有与传统机构相比更高的致动作用力。静平衡是减少这种致动能量的一种方式。通过使用系统的正弦形构件对挠曲件进行预加应力/静平衡可减小顺应性机构的致动能量。
图29A中描绘的挠曲件使用轴向支撑构件(104)和支柱支撑构件(104)来维持其正弦形构件的预加应力状态。图29B中描绘的挠曲件使用支柱支撑构件来维持其正弦形构件(102)的预加应力状态。这些组件可被看作是一系列挠曲件。由一系列挠曲区域(f)构成的挠曲件可具有优于其他类型的挠曲设计的优点。确定机构的柔性(以及因此其运动范围)的因素是：所使用的支撑构件的类型、材料类型(其弹性特性和强度)、边界条件(其如何附接到需要移动的任何事物)以及其几何形状(矩形剖面的厚度和长度)。正弦形构件的剖面几何形状和正弦波参数均被认为是挠曲件的几何形状。
挠曲系统对于精密运动和在精密运动阶段内使用的定位应用是重要的。挠曲系统是由许多挠曲件构成的挠曲系统，这些挠曲件通过材料的压缩、剪切和拉伸应力的基本应力状态传递负载。图30A-图30B描绘了轻量级挠曲件联接器。该预加应力复合材料组件的系统可用于形成示例性挠曲机构部件。它们的预加应力状态和顺应性特征可以提供极其平滑的精密运动特征。
预加应力格子结构可用于增强混凝土梁或其他固体材料形状并且/或者对其预加应力。图31A-图31B描绘了特别设计的正弦格子组件，其具有被定制为增强混凝土梁和/或对该混凝土梁预加应力的预先确定的结构和行为特性。包裹在固体材料梁/形状中的预加应力正弦组件可影响该梁的振荡特性和自然频率。
预加应力组件可以以预先确定的方式被改造成偏转。这是通过确定组件内所需的预加应力分布特征来实现的。正弦组件的偏转可用于增强施加在其所包裹的混凝土构件上的预加应力的效果。如在图32A-图32B中所描绘的，多个轴向支撑构件(104)可被置于张力下，以在被包裹在混凝土中之前使组件的偏转正常化。置于轴向支撑构件上的张力然后被释放。这允许预加应力混凝土构件的残余偏转响应于外部负载。
包裹在固体中的预加应力格子结构可以不表现出偏转或者是有方向顺应性的。图33A描绘了由被改造成增强材料地基板的互连12边形子组件形成的预加应力未偏转平面结构。
组件的预加应力被均匀分布并且组件的质心轴和中性轴(c)是一致的，并且结构不偏转。
具有挠曲特性的预加应力格子结构也可用作独立的结构部件，其用于构建用于地球和空间应用的较大结构系统。此类应用可包括陆地桥梁、塔和建筑物到水和空间中的广阔可部署结构。
组装中的正弦形构件可形成具有各种三维形状的结构。这些形状的结构可被连接以形成具有三级结构和四级结构的更复杂的组件。
形成具有预先确定的三维形状的组件的一种方法是通过在组装过程期间调节结构的势能/预加应力能量的分布。如果势能不均匀地分布在组件的剖面形状上，则质心轴和中性轴不一致，并且组件将呈现偏转的二级形状。图33B-图33C描绘了具有反映其应力分布的二级三维结构的组件。它们的弯曲形状是由于它们的正弦形构件在组装期间被给予不同量的储存势能而产生的。在图33B中，具有最大势能的正弦构件带有阴影。
在组装中带有阴影的构件的增加势能和较长波长导致结构弯曲。通过设计由具有特定波特性的互连正弦形构件构成的正弦结构，可以将结构设计为遵循特定的不规则三维轨迹路径，如图33C所描绘的。
组件也可遵循如图34A-图34C所描绘的预定义几何路径。图34A-图34C和图8C-图8D均描绘了由具有径向对称组织的三个正弦形构件构成的组件；它们的不同之处在于图34A-图34C被形成为遵循路径。图34A描绘了遵循弯曲螺旋路径的正弦组件。
在图34B中，螺旋路径的螺线被附接以形成管。螺旋状物的相邻螺线的附接在图34C中描绘，螺旋状物的匝“拉锁”在一起以形成中空管。正弦组件的螺旋螺线的附接可使用允许其可逆附接的锁定机构/方法。此类锁定方法还可用于将子组件彼此附接，并且还用于通过支撑构件将正弦形构件彼此附接。锁定机构可包含正弦形构件的一部分和/或支撑构件的一部分，并且可能需要互补零件，如夹具、销或粘合剂。
具有二级结构的组件可以被视为子组件(形状)，其可互连以形成三级结构和四级结构。
显示出沿着其长度变化的振幅特征的正弦形构件可形成子组件，该子组件可互连以形成弯曲的三维表面和形状。图35A-图35C描绘了互连以形成弯曲表面的非棱柱状子组件(锥形构建块)。该表面可以起到形成预加应力圆顶结构或各种预先确定的建模表面的作用。图35A描绘了锥形非棱柱状正弦子组件。图35B示出了所述子组件的基本锥形6边形形状。图35C描绘了组装的锥形形状。
以此类推，在自然界中发现的观察到的波行为可应用于本发明及其对三维物理波的使用。例如，当粒子(例如通过激励)从其原始位置移动时，恢复力作用在其上。该力可通过胡克定律计算，并且作用在原始位置的方向上。这导致能量通过介质传播。因为物质中的粒子相互连接，所以一个粒子的位移会导致其周围粒子的位移。横波和纵波是需要传播介质的弹性波类型。类似地，由具有弹性特性的复合材料物质的连接部分成形的三维物理波可以成为能量储存和传递的载体。叠加干涉、相消干涉和相长干涉的原理全部可应用于组件中预加应力能量丰富的正弦形构件之间发生的相互作用/干涉。支撑构件用作管道，其允许构件的内力在组件内缠绕并达到静态平衡。组件内的内力分布越均匀，较大结构中存在的偏转就越小。
作为概述，系统的零件和标识特征在图36A-图36E中呈现。图36A-图36C分别描绘了示例性支撑构件、松弛构件和正弦形构件。图36D描绘了单个正弦形构件及其相关联的支撑构件。图36E总体地描绘了组件。下面列出的零件和特征在图中标出。
材料零件
(100)松弛构件：松弛构件变体具有尺寸并且由弹性材料构成。
(102)正弦形构件：正弦形构件变体是具有不同波参数和尺寸的挠曲构件。
(104)支撑构件：支撑构件变体可以是但不限于轴向支撑构件、环支撑构件、n边形支撑构件、可膨胀支撑构件和支柱支撑构件。
正弦特征的定义
(a)空间频率：空间频率是在空间位置上是周期性的任何结构的特征。
(b)正弦轴线：正弦轴线是正弦形构件的中性轴。
(c)组件轴线：组件的轴线是组件的中性轴。
(d)远侧波腹：远侧波腹位于组件的周边上。
(d*)近侧波腹：近侧波腹位于组件的中心。
(e)波节：波节是正弦形构件上遵循其中性轴的点。
(f)挠曲区域：挠曲区域位于支撑构件之间。
虽然在本文中公开了本发明的优选实施方案，但是许多其他实施方式将被本领域的普通技术人员想到并且全部在本发明的范围内。上述各种实施方案中的每个实施方案可与其他描述的实施方案组合，以便提供多个特征。此外，虽然前面的内容描述了本发明的设备和方法的多个单独实施方案，但本文所描述的内容仅仅说明了对本发明原理的应用。因此，本领域普通技术人员进行的其他布置、方法、修改和替换也被认为在本发明的范围内，该范围除了由权利要求限制之外不受任何限制。

Claims (20)

1.一种用于结构和机械应用的挠曲件，其具有组件轴线，所述挠曲件包括至少两个预加应力正弦构件，所述正弦构件具有沿着所述至少两个预加应力正弦构件中的每一者的长度的残余拉伸和压缩并且由弹性材料形成，所述弹性材料允许可逆变形而不损害所述至少两个预加应力正弦构件的强度，所述至少两个预加应力正弦构件中的每一者在远侧波腹处由第一支撑构件支撑并且在近侧波腹处通过第二支撑构件上的锁定机构纵向连接在一起，将所述至少两个预加应力正弦构件保持处于拉伸和压缩。
2.如权利要求1所述的挠曲件，其中所述弹性材料是高性能复合材料。
3.如权利要求2所述的挠曲件，其中所述高性能复合材料是碳纤维增强聚合物或纳米复合材料。
4.如权利要求1所述的挠曲件，其中至少两个所述正弦构件中的每一者由离散的、直的、松弛的线性构件形成。
5.如权利要求4所述的挠曲件，其中所述离散的、直的、松弛的线性构件具有棱柱状或非棱柱状几何形状。
6.如权利要求5所述的挠曲件，其中所述离散的、直的、松弛的线性构件的所述棱柱状或非棱柱状几何形状或弹性特性沿着所述离散的、直的、松弛的线性构件的长度、宽度或深度变化。
7.如权利要求1所述的挠曲件，其中所述第一支撑构件处于压缩力下或者所述第二支撑构件处于张力下。
8.如权利要求1所述的挠曲件，其中所述第一支撑构件处于压缩力下并且多个第一支撑构件以对应于所述至少两个预加应力正弦构件的波长的空间频率间隔开。
9.如权利要求7所述的挠曲件，其中处于压缩力下的所述第一支撑构件是环、n边形、线性支柱或可膨胀构件。
10.如权利要求7所述的挠曲件，其中处于张力下的所述第二支撑构件是处于张力下的轴向构件。
11.如权利要求10所述的挠曲件，其中所述至少两个预加应力正弦构件中的每一者在所述至少两个预加应力正弦构件的端部处固定到所述轴向构件，使得所述张力沿着所述至少两个预加应力正弦构件的长度均匀分布。
12.如权利要求10所述的挠曲件，其中所述轴向构件在波腹处周期性地附接到所述至少两个预加应力正弦构件。
13.一种用于结构和机械应用的挠曲件，其具有组件轴线，所述挠曲件包括至少两个预加应力正弦构件，所述正弦构件具有沿着所述至少两个预加应力正弦构件中的每一者的长度的残余拉伸和压缩并且由超弹性材料形成，所述超弹性材料允许在不耗散能量的情况下进行基本上可逆的变形，所述正弦构件能解组装且能重组装成所述挠曲件，所述至少两个预加应力正弦构件中的每一者在远侧波腹处由第一支撑构件支撑并且在近侧波腹处通过第二支撑构件上的挠曲锁定机构纵向连接在一起。
14.如权利要求13所述的挠曲件，其中所述至少两个预加应力正弦构件中的每一者由离散的、直的、松弛的线性构件形成。
15.如权利要求13所述的挠曲件，其中所述至少两个预加应力正弦构件具有相同的波长和相位。
16.如权利要求15所述的挠曲件，其中所述至少两个预加应力正弦构件具有相同的振幅。
17.如权利要求13所述的挠曲件，其中所述至少两个预加应力正弦构件具有不同的波长、振幅或相位。
18.如权利要求13所述的挠曲件，其中内力均匀分布并且对应于所述挠曲件的质心/质心轴，使得所述挠曲件是未偏转的结构。
19.如权利要求13所述的挠曲件，其中内力不均匀分布并且落在所述挠曲件的质心/质心轴之外，使得所述挠曲件偏转。
20.一种平面的、径向的或多边形的挠曲组件，其由两个或更多个如权利要求13所述的挠曲件形成，所述挠曲件在所述至少两个预加应力正弦构件的波腹处连接。
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