CN116905660B - 一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料，属于建筑材料技术领域。双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料由管状折叠的装配模块单元在X、Y、Z轴的方向上拓扑组成，装配模块单元在X轴方向的个数为L个，在Y轴方向的个数为M个，在Z轴方向的个数为N个，L≥1，M≥1，N≥1；装配模块单元包括两个镜像的Miura折叠结构，两个Miura折叠结构的两端通过第一柔性铰链连接，装配模块单元在竖向和侧向的轴力作用下发生折叠变形。本发明采用上述双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料，可根据不同的受力场景进行变形的优点，双轴刚度可调，能够实现快速装配，具有良好的重复利用率，在一定程度上提高了建筑材料结构的功能多样性。

Description

一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料。

背景技术

在当今的科学和工程领域，模块化设计和智能材料的研究已成为一个引人注目的焦点。特别是在建筑、航空航天、机械工程和医疗设备等领域，人们对具备灵活性、可调节性和多功能性的结构和材料的需求不断增加。传统的材料和结构设计通常过于刚性和固定，无法适应多变的应用需求，因此需要一种能够在不同情况下调整其刚度和形状的新型建构材料。

在建构材料的领域，材料的性能和响应能力至关重要。传统材料无法满足需要在不同环境条件下实现可调节刚度和形状的要求。折纸构造已被广泛用于设计能够折叠和展开的结构，但传统折纸构造通常受限于单一轴向刚度和预定的几何形状。

发明内容

本发明的目的是提供一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料，解决传统折展结构变形能力有限的问题。本发明所述的建构材料具有可根据不同的受力场景进行变形的优点，能够实现快速装配，具有良好的重复利用率，在一定程度上提高了建筑材料结构的功能多样性。

为实现上述目的，本发明提供了一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料，由管状折叠的装配模块单元在X、Y、Z轴的方向上拓扑组成，装配模块单元在X轴方向的个数为L个，在Y轴方向的个数为M个，在Z轴方向的个数为N个，L≥1，M≥1，N≥1；

装配模块单元包括两个镜像的Miura折叠结构，两个Miura折叠结构的两端通过第一柔性铰链连接，装配模块单元在竖向和侧向的轴力作用下发生折叠变形。

优选的，所述Miura折叠结构包括四个相同的刚性板，刚性板为平行四边形结构，水平方向上的刚性板之间通过第一柔性铰链连接，竖直方向上的刚性板之间通过第二柔性铰链连接。

优选的，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链的两端均嵌入在刚性板内。

优选的，所述刚性板的锐角夹角θ为60°-85°。

优选的，所述刚性板的厚度为T，第一柔性铰链厚度为t1，第二柔性铰链厚度为t2，T：t1：t2=1:0.2-0.1:0.2-0.1。

优选的，所述装配模块单元上设置有用于相邻装配模块单元可拆卸连接的插销，所述插销包括连接座，连接座设置在刚性板的外侧面上，连接座上设置有相适配的卡块或凹槽，卡块和凹槽在装配模块单元上相对设置。

优选的，所述凹槽为燕尾槽或T型槽结构。

优选的，所述装配模块单元为采用增材制造技术整体3D打印建造。

优选的，所述刚性板为聚乳酸材质，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链为聚氨酯弹性体橡胶材质。

本发明所述的一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料的优点和积极效果是：

1、双轴刚度可调节性：传统的折纸构造或模块化结构通常只能在一个轴向上调整其刚度，而本发明的材料具备双轴刚度可调节的特性。这意味着它可以在两个不同的轴向上调整刚度，使其更容易适应多种应用需求，从而扩展了其实际应用领域。

2、模块化可拆装设计：本发明采用了模块化设计的理念，使得这种材料可以由多个单元模块组成，每个模块都具备自身的可调节刚度。这种模块化性质使得用户可以根据具体应用的需求自由组合和定制材料的形状和性能。

3、多功能性：本发明所述的建构材料的可调节性能不仅限于刚度，还包括形状的调整。这使得它适用于需要在不同工作状态下实现形状和刚度变化的应用。

4、适应性和灵活性：相较于传统的刚性结构，本发明所述的建构材料更具适应性和灵活性。它可以在外部力或控制下实时调整形状和刚度，因此在不同的环境和应用中表现出优越的变形与缓冲耗能能力。

5、可编程性：本发明允许用户通过外部控制手段，如电场、温度或磁场等，实现对材料刚度和形状的实时编程。这种可编程性使其在智能化系统中具备广泛的潜在应用。

6、增材制造技术的应用：本发明利用增材制造技术，可以实现复杂的构型，包括模块化单元的制造。这种技术使得制造成本较低，且能够满足高度个性化的需求。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料实施例的结构示意图；

图2为本发明一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料实施例的模型结构示意图；

图3为本发明一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料实施例的装配模块单元模型结构示意图；

图4为本发明一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料实施例的装配模块单元模型竖向折叠和展开结构示意图；

图5为本发明一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料实施例的装配模块单元模型横向折叠和展开结构示意图；

图6为本发明一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料实施例的装配模块单元实体结构示意图；

图7为本发明一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料实施例的装配模块单元实体带插销结构示意图；

图8为本发明一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料3×1拼装组合结构示意图；

图9为本发明一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料不同θ角对应的装配模块单元模型结构示意图；

图10为本发明一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料实施例中组合结构力-位移曲线图。

附图标记

1、刚性板；2、第一柔性铰链；3、连接座；4、卡块；5、凹槽；6、第二柔性铰链。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

如图1-3，图6-8所示，一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料，由管状折叠的装配模块单元在X、Y、Z轴的方向上拓扑组成。装配模块单元在X轴方向的个数为L个，在Y轴方向的个数为M个，在Z轴方向的个数为N个，L≥1，M≥1，N≥1，并且L、M、N均为正整数。本实施例中L=M=3，N=2。实际使用中L、M、N的数量可以根据实际需要进行调整。

装配模块单元包括两个镜像的Miura折叠结构，两个Miura折叠结构的两端通过第一柔性铰链2连接，两个镜像的Miura折叠结构拼装成管状折叠结构的装配模块单元。Miura折叠结构包括四个完全相同的刚性板1，刚性板1为平行四边形结构。水平方向上的刚性板1之间通过第一柔性铰链2连接，竖直方向上的刚性板1之间通过第二柔性铰链6连接。第一柔性铰链2和第二柔性铰链6的两端均固定嵌入在刚性板1内。第一柔性铰链2和第二柔性铰链6在受到外力作用下能够发生变形，使得装配模块单元在竖向和侧向的轴力作用下发生折叠变形。

装配模块单元在竖向和横向的折叠和展开结构分别如图4、图5所示。装配模块单元可以在竖向和横向发生形态不一的变形，使得建构材料在双轴向的刚度具有可调控的能力。

刚性板1的厚度为T，第一柔性铰链2厚度为t1，第二柔性铰链6厚度为t2。考虑到实际结构的厚度因素，限定T：t1：t2=1:0.2-0.1:0.2-0.1。刚性板1的锐角夹角θ为60°-85°通过控制T、t1、t2的比值，以及θ角的大小，将影响每个模块的刚度大小，进而调整折纸建构材料的单元刚度。

本实施例中，刚性板1的边长均为5mm，θ为60°。

装配模块单元为采用增材制造技术整体3D打印建造，采用双喷头材料同时进行打印。本实施例中，刚性板1为聚乳酸材质，第一柔性铰链2和第二柔性铰链6为聚氨酯弹性体橡胶材质。刚性板1、第一柔性铰链2和第二柔性铰链6的材质可以根据需要选择其他的材料。

装配模块单元上设置有用于相邻装配模块单元可拆卸连接的插销。插销包括连接座3，连接座3设置在刚性板1的外侧面上。连接座3位于装配模块单元上部刚性板1的上部外侧面和下部刚性板1的下部外侧面，即连接座3位于装配模块单元两端的四个侧面上。连接座3上设置有相适配的卡块4或凹槽5，卡块4和凹槽5在装配模块单元上相对设置。相邻的装配模块单元上的卡块4固定嵌入凹槽5内，实现相邻装配模块单元的可拆卸组装。

为了提高相邻装配模块单元之间连接的稳定性，凹槽5设置成燕尾槽或T型槽结构，相应的卡块4为燕尾榫或T型块结构。

连接座3和卡块4与装配模块单元整体结构一体化3D打印，采用与刚性板1相同的聚乳酸材质。

在控制刚性板1、第一柔性铰链2和第二柔性铰链6厚度比不变的条件下，研究不同的θ角对装配模块单元刚度的影响。

如图9所示，第一柔性铰链2、第二柔性铰链6和刚性板1的厚度比为t1:t2:T=0.2:0.2:1，从左向右分别为夹角θ逐渐增大的A-E五种单元模块的3×1组合，即AAA，BBB，CCC，DDD，EEE五组。

针对图9上述的5组结构，探究其在竖向轴向压缩时的力学性能，进一步完成了该模块化折纸建构材料力学性能的有限元数值模拟计算。如图10所示，在Z轴向通过匀速位移控制，施加压缩载荷时，压缩方向上的第一柔性铰链2和第二柔性铰链6发生屈曲，提供第一阶段耗能。可以看出，随着刚性板1与第一柔性铰链2、第二柔性铰链6厚度比不变的情况下，随着A-E平行四边形的夹角增大，组合结构承载能力提升效果显著，且EEE代表的85°组对比其他4组，性能尤为优越。随后上部的四块刚性板1接触到下部四块刚性板1，整体结构表现出接触锁定的特性，进入第二阶段密实状态。每条曲线的阶段位置均有差异，图10中仅以DDD组为例进行标示。

其侧向的力学性能探索过程类似，可满足具有缓冲需求的结构设计要求。

本发明所述的双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料的设计过程包括以下步骤：

1、问题定义和目标设定：首先，需要明确定义设计的目标和应用场景。确定所需的双轴刚度范围、可调节性能、材料特性和形状变化要求。

2、材料选择：根据设计目标，选择适当的材料。这些材料应该具备足够的刚度和强度，同时具备弯曲和扭转的适应性。可能需要使用多种材料的组合，包括刚性材料和柔性材料。

3、建模和仿真：利用计算机辅助设计（CAD）软件建立材料的三维模型。通过仿真和模拟，分析材料在不同载荷和形状变化条件下的行为。这有助于优化设计。

4、模块化设计：将材料分解成模块化单元，每个模块都具备双轴刚度可调节的特性。这些模块应该能够在不同方向上进行折叠和展开，并能够与其他模块进行连接。

5、加工和制造：制造模块化单元需要使用适当的加工技术，如3D打印、注塑成型、激光切割等，以确保高精度的构件。

6、灵活组装：将模块化单元按照设计要求组装在一起，可灵活拆装。适配性连接插销将不同模块连接在一起，形成整体结构。

7、测试和调整：对制造的结构进行测试和调整，以确保其在各种条件下的性能和可调节性能都符合设计要求。如进行力学测试、应力测试和变形测试等。

8、外部控制系统：如果需要实现远程或自动控制材料的刚度和形状变化，需要设计和集成外部控制系统，如电子传感器、执行器和控制算法。

9、最终应用：将设计的双轴刚度可调节的模块化折纸建构材料应用于具体的领域，如智能建筑、机械工程、医疗设备等，以满足实际模块化可快速装配、吸能耗能需求。

本发明所述的双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料在折叠太阳能面板、自适应建筑结构、自适应机构、智能建筑和医疗设备等多个领域具备广泛的应用前景，有望改进和优化现有结构和材料设计，提高性能和适应性。

因此，本发明采用上述双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料，能够解决传统折展结构变形能力有限的问题。本发明所述的建构材料具有可根据不同的受力场景进行变形的优点，能够实现快速装配，具有良好的重复利用率，在一定程度上提高了建筑材料结构的功能多样性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料，其特征在于：由管状折叠的装配模块单元在X、Y、Z轴的方向上拓扑组成，装配模块单元在X轴方向的个数为L个，在Y轴方向的个数为M个，在Z轴方向的个数为N个，L≥1，M≥1，N≥1；

Y轴方向上相邻列之间的装配模块单元相对设置；

装配模块单元包括两个镜像的Miura折叠结构，两个Miura折叠结构的两端通过第一柔性铰链连接，装配模块单元在竖向和侧向的轴力作用下发生折叠变形；

所述Miura折叠结构包括四个相同的刚性板，刚性板为平行四边形结构，水平方向上的刚性板之间通过第一柔性铰链连接，竖直方向上的刚性板之间通过第二柔性铰链连接；

所述刚性板的锐角夹角θ为70°-85°；

所述装配模块单元上设置有用于相邻装配模块单元可拆卸连接的插销，所述插销包括连接座，连接座设置在刚性板的外侧面上，连接座上设置有相适配的卡块或凹槽，卡块和凹槽在装配模块单元上相对设置；

所述第一柔性铰链和第二柔性铰链的两端均嵌入在刚性板内；

所述刚性板的厚度为T，第一柔性铰链厚度为t1，第二柔性铰链厚度为t2，T：t1：t2=1:0.2-0.1:0.2-0.1；

所述装配模块单元为采用增材制造技术整体3D打印建造。

2.根据权利要求1所述的一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料，其特征在于：所述凹槽为燕尾槽或T型槽结构。

3.根据权利要求1所述的一种双轴刚度可调节的装配式折纸建构材料，其特征在于：所述刚性板为聚乳酸材质，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链为聚氨酯弹性体橡胶材质。