CN113757289B - 一种基于刚性折纸的可折展多孔承载结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于刚性折纸的可折展多孔承载结构，包括四棱锥结构和平行四边形结构，每个四棱锥结构由四个相同的三角形组成；每两个四棱锥结构呈顶角对接、底部上下对称的形式布置后，通过四个平行四边形结构按顺时针或逆时针方向相互连接组成基本单元，根据每个基本单元内四个平行四边形结构的旋转方向将基本单元分为左旋单元和右旋单元；两个左旋单元和两个右旋单元组成基本结构，基本结构内的左旋单元和右旋单元相互交替连接；基本结构能够沿分行、分列与分层三个正交方向进行延伸形成可折展多孔承载结构；可折展多孔承载结构具有一个自由度，能够实现完全展开与折叠。

Description

一种基于刚性折纸的可折展多孔承载结构
技术领域
本发明涉及单自由度的可折展结构，具体涉及一种具有可快速折叠展开和达到某个角度实现自锁迅速提高其承载能力的多孔结构。
背景技术
随着地面和航空运输行业的质量不断提高，开发出一种更轻、更便宜、且受力更佳的结构和材料成为现今社会的研究热点，蜂窝夹芯结构因其具有出色单位质量下的刚度和强度特性作为一种承载结构被广泛应用，如专利“一种多向承载的蜂窝结构缓冲吸能装置”(专利号CN110450966A)便是采用蜂窝结构实现多向承载，但是由于蜂窝结构的诸多弊端如封闭蜂窝芯有水分积累问题，导致其力学性能受到极大的影响；蜂窝结构芯在受载荷冲击时易于导致芯层与面板分离等缺点，限制了其在诸多领域的使用。大多数承载结构具有体积大，占地空间大，不便运输等特点，使其只能应用于固定场合，在许多场合因运输不变而不能得以运用。
一个结构具有可折展性时，在运输储藏过程中可折叠减小其占地空间，例如瓦楞纸箱，在运输过程中便可将其由空间三维形态转变为平面形态，但受其内部机械结构的限制，类似于瓦楞纸箱等具有可折展特性便于运输的结构并没有承载能力，开发一种可折展承载结构，使其在运输储藏过程中处于折叠收纳状态，在需要工作时可展开成具有高承载能力的承载结构，成为现今研究的一个主题方向。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，应用折纸、机械结构、承载结构的概念，提供一种单自由度可快速收拢展开、具有自锁特性的多孔承载结构。该多孔承载结构拥有较好的刚度，可以完全折叠和展开，折叠时体积小，便于运输；在展开到某一极限位置，其机构实现自锁迅速提高承载能力，实现其承载功能，在建筑结构，车辆防撞，航空航天等众多领域具有重要意义和广泛的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于刚性折纸的可折展多孔承载结构，包括四棱锥结构和平行四边形结构，每个所述四棱锥结构由四个相同的三角形组成；每两个四棱锥结构呈顶角对接、底部上下对称的形式布置后，通过四个平行四边形结构按顺时针或逆时针方向相互连接组成基本单元，根据每个基本单元内四个平行四边形结构的旋转方向将基本单元分为左旋单元和右旋单元；两个左旋单元和两个右旋单元组成基本结构，基本结构内的左旋单元和右旋单元相互交替连接，即基本结构内的左旋单元只与右旋单元连接，右旋单元只与左旋单元连接；所述基本结构能够沿分行、分列与分层三个正交方向进行延伸形成可折展多孔承载结构；可折展多孔承载结构具有一个自由度，能够实现完全展开与折叠；通过改变基本结构的参数能够实现可折展多孔承载结构的空间折展特性，所述参数包括四棱锥结构中三角形的边长、四棱锥结构中三角形的内角、基本结构的层数。
进一步的，所述左旋单元和右旋单元均具有四重旋转对称特征。
进一步的，所述可折展多孔承载结构能够通过相邻基本单元的二面角之间的变化由空间状态折叠成平面状态。
进一步的，所述可折展多孔承载结构的基本单元的四个顶点能够实现自锁。
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)本发明为具有一个自由度的可折展结构，可以实现机构的折叠与展开，当力沿面内方向即x，y方向施加时，可进行机构的折叠，在运输过程中折叠收纳，减小占地面积，当力沿面外方向即z方向施加时，可进行机构的展开，在到达工作场景后，可展开成自锁状态。
(2)本发明在展开过程中，力沿面外方向即z方向施加时，相邻基本单元二面角发生变化，达到某个角度时实现自锁，迅速提高其承载能力。
(3)本发明具有多孔承载结构，在一个方向上存在具有开放的通风通道，解决了封闭单元的水分积累导致其结构力学性能下降的问题。
(4)本发明可由单一单元在x，y，z三个方向上组成多单元，同时多单元保持单一单元的性质不变。
(5)本发明可根据实际需求改变该结构几何参数，能够适应不同工程应用场景。
(6)本发明可折展多孔承载结构在完全折叠或展开下，可极大缩小结构面积，由于其由折痕组成，在折叠与展开过程中具有快速性的特点，同时保持了其原有结构性质不变。
附图说明
图1-1为两个四棱锥结构端对端示意图，图1-2-1和图1-2-2为左旋单元的组成示意图，图1-3-1和1-3-2为右旋单元的组成示意图，图1-4为本发明的结构参数示意图，图1-5为本发明的基本结构示意图，图1-6为左旋单元与右旋单元排列示意图。
图2-1为本发明处于单层初始状态示意图，图2-2为本发明折叠过程状态示意图，图2-3为本发明单层完全折叠后示意图，图2-4为本发明处于双层初始状态示意图，图2-5为本发明双层完全折叠示意图。此结构模块参数完全一致。
图3-1为本发明改变角度α和边长a处于单层初始状态示意图，图3-2为本发明折叠过程状态示意图，图3-3为本发明单层完全折叠后示意图，图3-4为本发明处于双层初始状态示意图，图3-5为本发明双层完全折叠示意图。此结构模块参数完全一致。
图4-1为本发明处于自锁状态示意图。
图4-2为本发明处于接触自锁状态后完全折叠示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
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是本发明中可折展多孔承载结构基本单元中的四棱锥结构(eggbox)对接示意图，其中每一个四棱锥结构由四个完全相同的三角形组成，其组成的四棱锥结构是不能展开成平面的结构。将两个四棱锥结构相同方向上的上下两个三角形用平行四边形PBED进行连接，得到如图1-2-1所示结构；将其余三个方向上的三角形同样用平行四边形连接所得到的基本单元为左旋单元，得到如图1-2-2所示左旋单元的结构。
将两个四棱锥结构相同方向上的上下两个三角形用平行四边形PAFC进行连接，得到如图1-3-1所示结构；将其余三个方向上的三角形同样用平行四边形连接所得到的基本单元为右旋单元，得到如图1-3-2所示右旋单元的结构。
其中无论是左旋单元还是右旋单元，他们都具有四重旋转对称，在单层结构内，确定四棱锥结构的三角形的边长a和角度α，本发明结构的基本尺寸已经完全地确定下来，如图1-4所示，通过改变边长a和角度α便可改变本发明结构的基本尺寸，适应不同工程情况所需。基本单元具有一个自由度，在基本尺寸确定以后，可实现完全折展。本发明的结构可由左旋单元与右旋单元重复排列，在空间中进行无限扩展如图1-5所示，可由此基本结构进行继续延伸，其重复排列组合的规则遵循，左旋单元的周围只能是右旋单元，即左旋单元只能和右旋单元进行组合，右旋单元的周围之只能是左旋单元，即右旋单元只能和左旋单元进行组合，模型的重复排列说明图如1-6所示。
图2-1为本发明在给定边长a与角度α下的结构，本结构本身具有一个自由度，可以实现完全折展，其折叠过程为可通过改变两相邻基本单元的二面角进行折叠，其折叠过程图如2-2所示，在完全折叠后，其最终的完全折叠图如2-3所示。
图2-4是保持其边长a与角度α不变，增加层数的结构图，本结构本身具有一个自由度，依然可实现完全折展，其最终的完全折叠图如2-5所示。该结构科在空间无限层叠，且同一层中可无限扩展。
图3-1为本发明在改变边长a与角度α下的结构，本结构本身具有一个自由度，可以实现完全折展，其折叠过程为可通过改变两相邻基本单元的二面角进行折叠，其折叠过程图如3-2所示，在完全折叠后，其最终的完全折叠图如3-3所示。
图3-4是保持其边长a与角度α不变，增加层数的结构图，本结构本身具有一个自由度，依然可实现完全折展，其最终的完全折叠图如3-5所示。该结构科在空间无限层叠，且同一层中可无限扩展。
如图4-1和4-2，当力沿x，y方向施加时，本发明将折叠成平面状态，如图4-2所示；力沿z方向对平面状态进行施加时，本发明将展开为空间状态，如图4-1所示，当图示A、B、M、N四点在同一水平面时，本结构达到自锁状态，此时其承载能力迅速提高，实现承载功能。
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 (4)

1.一种基于刚性折纸的可折展多孔承载结构，其特征在于，包括四棱锥结构和平行四边形结构，每个所述四棱锥结构由四个相同的三角形组成；每两个四棱锥结构呈顶角对接、底部上下对称的形式布置后，通过四个平行四边形结构按顺时针或逆时针方向相互连接组成基本单元，根据每个基本单元内四个平行四边形结构的旋转方向将基本单元分为左旋单元和右旋单元；两个左旋单元和两个右旋单元组成基本结构，基本结构内的左旋单元和右旋单元相互交替连接，即基本结构内的左旋单元只与右旋单元连接，右旋单元只与左旋单元连接；所述基本结构能够沿分行、分列与分层三个正交方向进行延伸形成可折展多孔承载结构；可折展多孔承载结构具有一个自由度，能够实现完全展开与折叠；通过改变基本结构的参数能够实现可折展多孔承载结构的空间折展特性，所述参数包括四棱锥结构中三角形的边长、四棱锥结构中三角形的内角、基本结构的层数。
2.根据权利要求1所述的基于刚性折纸的可折展多孔承载结构，其特征在于，所述左旋单元和右旋单元均具有四重旋转对称特征。
3.根据权利要求1所述的基于刚性折纸的可折展多孔承载结构，其特征在于，所述可折展多孔承载结构能够通过相邻基本单元的二面角之间的变化由空间状态折叠成平面状态。
4.根据权利要求1所述的基于刚性折纸的可折展多孔承载结构，其特征在于，所述可折展多孔承载结构的基本单元的四个顶点能够实现自锁。
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