KR20140053947A - 코일가능하고 연장가능한 부재 및 방법 - Google Patents

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앤드류 제임스 데이튼-러벳
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알티엘 머티리얼즈 엘티디
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Abstract

본 발명은 코일된 형태(11)와 연장된 형태(12) 사이에서 구성될 수 있는 연장가능한 부재(10)를 제공한다. 상기 연장가능한 부재(10)는, 슬릿 튜브 형태로 탄성적으로 바이어스된 재료의 시트를 포함하는 일차 부재(14)로서, 상기 슬릿 튜브는 평탄화된 단면을 가지고 있는 개방 형태를 취하도록 슬릿에서 넓어질 수 있는, 일차 부재(14)와, 상기 일차 부재(14)상의 각각 다른 주변 위치에서 일차 부재(14)에 대한 제 1 및 제 2 연결부를 가지고 있는, 적어도 하나의 탄성 이차 부재(15)를 포함하며, 연장된 형태에서, 상기 일차 부재(14)는 슬릿 튜브 형태로 있고, 상기 이차 부재(15)의 탄성은 상기 일차 부재(14)에 비틀림 및 축 방향 강성을 제공하기 위해, 상기 이차 부재(15)의 적어도 일부를 상기 일차 부재(14) 내의 슬릿을 향해 변위하도록 하고, 코일된 형태(11)에서, 상기 일차 부재(14)는 개방 형태로 있고, 상기 이차 부재(15)는 상기 일차 부재와 이차 부재가 함께 코일될 수 있도록, 상기 일차 부재의 편평한 단면에 일치한다. 대응하는 방법들이 또한 제공된다.

Description

코일가능하고 연장가능한 부재 및 방법{COILABLE EXTENDIBLE MEMBER AND METHODS}
본 발명은 코일된 형태와 연장된 형태 사이에서 구성될 수 있는 연장가능한 부재, 코일된 형태와 연장된 형태 사이에서 구성될 수 있는 연장가능한 부재의 제조 방법, 연장가능한 부재를 배치하는 방법, 그리고 도관(conduit)을 제공하는 방법에 관한 것이다.
슬릿 관형의 연장가능한 부재(Slit Tubular Extendible Members)(STEMs){또는 때론 "저장가능한 관형의 연장가능한 부재(Storable Tubular Extendible Members)"}는 중첩되거나 중첩되지 않는 굽혀진 섹션으로 형성된, 탄성 재료의 스트립으로 구성되는 장치이며, 따라서 전체적으로 또는 부분적으로 관형 구조를 형성하고, 보관이나 수송을 위하여 또는 선형 작동의 수단으로서, 튜브 축에 실질적으로 수직인 축을 따라 코일을 형성할 수 있다. 목수의 금속 줄자(metal tape measure)의 필수적인 개발품이 있고, 이러한 줄자의 특성인 약간 굽은 부분은 더욱 충분하게 관형 섹션을 향해서 더 큰 각도로 대향 하도록 증가한다. 그들은 일반적으로 스테인리스 스틸 또는 베릴륨 구리의 얇은 리본으로 제조된다. 이러한 부재는 이후에는 "단순 STEM(simple STEMs)"으로 지칭 될 것이다.
STEM의 또 다른 유형은 "이크발 케이. 펠레그리노 에스와 데이튼-로베트 에이. 제이"(Iqbal K.,Pellegrino S. and Daton-Lovett A. J.)에 의하여 기술되어 있다. {(1998), 9월, 영국, 케임브리지, 배치 가능한 구조에 대한 이우타미아스 심포지움 회의, 논문집 6-9, 배치가능한 슬릿 튜브)}. 이들 STEM은 일반적으로 엔지니어링 상수, 특히 푸아송 비(poisson's ratio)와 물질의 등방성을 갖는 다른 유형과는 다른, 쌍안정한 감겨진 합성물(Bistable Reeled Composites)(BRCs)로서 당업자에게 공지되어 있고, 이 합성물은 일차 곡선이 직선이 될 때, 자발적으로 코일로 형성되는 방식으로 제조 및 설계된다. 이들은 일반적으로 연장되고 코일된 형태 모두가 안정적이 되는 방식으로 설계되어, 보관, 수송 등을 위하여 코일된 형태로 구속될 필요성을 제거한다. 그들은 또한 그들의 비틀림 강성(torsional rigidity)을 상당히 증가시키는, 상당히 높은 두께 대 곡률 반경 비로 제조될 수 있는 "단순(simple)" STEM 이상의 상당한 장점을 갖는다. 단순 STEM과는 달리, BRCs의 로컬 엔지니어링 상수의 조작은 단면이 원형 또는 부드러운 곡선이 아니며, 또한, 단순 STEM의 본래의 직선 연장과 함께, 단순하거나 또는 복잡한 휘어진 부재를 형성하기 위해 연장될 수 있는, STEM을 제조할 수 있게 한다. 도 1은 이러한 장치의 전형적인 형태를 보여준다.
STEM은 그들 구조의 슬릿 특성의 결과로서 오일러 튜브(Euler tube)에 비해 비틀림 및 휨 강성(bending rigidity)이 약하다. 휨 강도의 부족은 연장시 부재의 측면의 일 부분을 중첩하여 보상될 수 있다. 어느 정도의 중첩이 성취되면, 연장된 구조는 관성적으로 균형화가 될 것이다(림로트 에프. 피. 제이 (1995) "스템 쉘(Stem Shells)" 피터 이 그로크너, 펫쉬리프트, 캘거리, 캐나다)(Rimrott F. P. J. (1995) Peter E Glockner, Fetschrift, Calgary, Canada). 그러나, 이 방식은 코일링 중에 부재 내에 피크 변형을 증가시키는 단점을 가지며, 이 단점은 달성가능한 두께 대 곡률 반경 비를 감소시키고 장치의 수명을 감소시킨다. 이 단점은 특히 그들이 높은 두께 대 곡률 반경 비를 갖고, 따라서 코일링 중에 높은 피크 변형을 갖기 때문에, BRCs에서 특히 중요하다. 이 방식은 또한 코일 될 때 부재의 폭이 증가 된다는 것을 의미한다. 이것은 이러한 장치의 주 단점인, 연장된 부피 대 팩 부피 비를 감소시키는 단점이 있다.
그러나 이러한 중첩은 STEM의 불량한 비틀림 강성에 대하여 큰 영향이 없다. 다수의 메커니즘이 이 비틀림 강성의 부족을 보완하기 위해 제안되었다. 이들 중 가장 일반적인 것은 캐스터레이션(castellations)이 연장될 때 인터로크되는 방식으로 있는 STEM 에지의 캐스터레이션이다.
대안적으로, STEM의 표면에 제공된 구멍과 연장될 때 인터로킹되는, STEM의 하나의 에지로부터 돌출하는 탭을 사용하는 것이 제안되었다. 이들 제 1 메커니즘은 STEM에 관성 밸런스를 발생하는데 필요한 광범위한 중첩을 배제한다. 반면 제 2 메커니즘은 장치의 복잡성을 증가시키고 그 사이클 수명을 단축하는 응력 집중을 유발하게 하는 중첩을 대체로 허용한다. 그들은 또한, 인터록킹, 완성된 메커니즘의 크기 및 무게 증가, 그리고 실패에 대한 추가 가능성 유발을 보장하기 위한 안내 메커니즘을 필요로 한다.
집(zip) 메커니즘은 낮은 비틀림 강성이 있기 때문에 매우 잘 작동하지는 않는다. 집은 에지 사이에 적은 양의 상대적인 축 방향 슬립을 허용하고, 이것은 제 2의 실패 모드로 이어진다.
증가된 비틀림 강성을 갖는 코일가능한 부재를 제공하기 위한 또 다른 시도는 DLR(독일 항공우주 센터)에 의해 이루어졌다. 이 설계에서, 부재(100)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 연장되었을 경우 렌즈형 단면을 갖는다. 부재(100)는 이 형태로 안정하고 이 형태에 잔류 응력이 없다. 부재(100)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 그것이 코일될 수 있게 하는 평평한 힘이 가해진다. 부재(100)를 만들기 위해, 두 개의 반-렌즈형 부재(101, 102)가 탄소 섬유 보강 플라스틱으로 형성된다. 이들 부재(101, 102)의 마주하는 에지(103)는 동일면에 있다. 부재(101, 102)는 서로 등을 맞대고 놓여있고, 따라서 에지(103)가 서로 접촉하고 있고, 이들은 부재를 형성하기 위해 함께 부착(104)된다. 이 부재의 단점은 렌즈형 형태가 근본적으로 오일러 튜브형 부재만큼 강하지 않다는 것이다. 이러한 구조는 상당한 축 방향 응력/변형을 감당하는 것이 예상되지 않는 공간-탐사 응용(space-exploration applications)에서 주로 배치되어 있다. 이 장치의 다른 단점은 부재가 코일 될 때 상당한 정도의 잔류 응력이 있다는 것이다. 2 개의 부재(101, 102)의 통로 길이의 차이는 부재의 수명을 단축하게 하는 버클링을 발생시키는 경향이 있다.
본 발명의 첫 번째 양태에 따르면, 코일된 형태와 연장된 형태 사이에서 구성될 수 있는 연장가능한 부재가 제공되며, 상기 부재는,
슬릿 튜브 형태로 탄성적으로 바이어스된(biased) 재료의 시트를 포함하는 일차 부재로서, 상기 슬릿 튜브는 평탄화된 단면을 갖는 개방 형태를 취하도록 슬릿에서 넓어질 수 있는, 일차 부재와,
일차 부재상의 각각 다른 주변 위치에서 일차 부재에 대한 제 1 및 제 2 연결부를 가지는, 적어도 하나의 탄성 이차 부재를 포함하며,
연장된 형태에서, 일차 부재는 슬릿 튜브 형태로 있고, 이차 부재의 탄성력은, 일차 부재에 비틀림 및 축 방향 강성을 제공하기 위해, 이차 부재의 적어도 일부를 일차 부재 내의 슬릿을 향해 변위하도록 하고,
코일된 형태에서, 일차 부재는 개방 형태로 있고, 이차 부재는 일차 부재와 이차 부재가 함께 코일될 수 있도록, 일차 부재의 편평한 단면에 일치한다.
보통의 슬릿 튜브는 슬릿이 그 길이를 따라 연장하여, 슬릿을 형성하는 두 에지가 서로에 대해서 이동하게 된다는 사실로 인해 상당히 약화된다. 따라서, 본 발명은 일차 부재에 비틀림 및 축 방향 강성을 제공하는 이차 부재를 제공하고, 따라서 더욱 강한 STEM을 제공하여 이 문제를 처리한다. 일차 및 이차 부재의 배열은, 연장가능한 부재가 여전히 코일형태가 될 수 있고, 이것은 부재가 더욱 콤팩트한 형태 등이 될 수 있는 장점을 제공한다. 일차 부재와 이차 부재 사이에 두 개의 연결은 다른 주변 위치에 있고(일차 부재가 관 형태일 때), 이차 부재의 일부 또는 모든 변위는 슬릿 수단을 향하여, 이차 부재가 슬릿을 바람직하게 밀접하게 덮는, 일차 부재의 측면 사이에서 브리지로서의 역할을 하며, 따라서, 일차 부재를 보강(bracing)하고, 비틀림 및 축 방향 강성을 제공한다. 이차 부재는 바람직하게는, 일차 부재가 관형 형태를 취할 때, 슬릿을 향해 변위되도록 굽혀진 형태로 탄성적으로 바이어스된다.
일차 및 이차 부재 사이의 연결은 바람직하게는 이차 부재의 길이를 잇고, 그리고 바람직하게는 이차 부재의 두 에지에 있다.
일 실시예에서, 일차 부재는 단면이 부드러운 곡선이며, 즉 그 직경 주위에서(슬릿을 제외하고) 곡률에 불연속이 없으며, 일부 바람직한 실시예에서 그 곡률에 결함이 없는 단면이 부드러운 곡선을 가지고 있다. 예를 들어, 튜브는 일반적으로 원형, 타원형, 회전타원형, 계란형, 또는 카르투슈(cartouche) 형태와 같은, 국부적으로 평탄하게 패턴화된 부분을 갖는 이들의 임의의 형상일 수 있다. 바람직하게는, 튜브는 적어도 180도의 각도, 더욱 바람직하게는 적어도 270도로 대향 한다. 바람직한 실시예에서, 슬릿은 비교적 작은 각도로 대향하고, 튜브는 예를 들면 330도 내지 360도 사이의 각도에서 대향하여 밀폐되어 폐쇄된다. 일부 바람직한 실시예에서, 튜브는, 슬릿을 한정하는 일차 부재의 에지가 서로 중첩하는, 360 도보다 큰 각도로 대향할 수 있다.
원칙적으로, 거의 모든 임의의 각도는 일차 부재에 의해 대향될 수 있다. 어떤 각도가 사용되든, 이차 부재가 연장/코일 될 때 일차 부재에 대하여 연장/압축되고, 또한, 일차 부재가 45 도보다 상당히 높은 축 방향 계수를 갖는 높은 등방성을 갖기 때문에, 일차 부재는 이차 부재보다 축을 따라 상당히 더 강하고, 이 축 방향 계수는, 강한 구조를 형성하는데 도움을 주는 비틀림 강성을 관리한다.
바람직하게는, 이차 부재에 대한 연결은, 일차 부재의 에지가 연결부를 넘어 주변으로 연장되는 방식으로, 일차 부재의 내부에 있다.
일차 및 이차 부재는 일차 부재의 코일의 간극에 놓여있는 이차 부재와, 함께 그들이 더 쉽게 코일 될 수 있도록 일반적으로 "얇다(thin)". 일차 부재의 에지는 일반적으로 부재의 연장 방향으로 연장하고, 간극과 중첩하거나, 만나거나 또는 남겨두게 되어, 튜브에 슬릿을 형성한다. 에지는 바람직하게는 직선이고 평행하다. 일차 부재에 대한 이차 부재의 연결은 바람직하게는 서로 평행하고, 연장 방향으로 이차 부재를 따라 연장된다.
바람직하게는, 부재는 코일된 형태와 연장된 형태 사이에서 가역적으로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 연장가능한 부재는 코일된 형태로부터 연장된 형태로 점차적 으로 변형된다. 이것은 부재가 점차적으로 그 코일된 형태에서 원하는 길이로 연장되게 한다.
일 실시예에서, 제 1 및 제 2 연결 사이에서 일차 부재와 이차 부재의 폭은 동일하다. 이것은 일차 및 이차 부재가 서로에 대하여 평평하게 놓이고, 코일링을 돕는다.
일 실시예에서, 이차 부재는 일차 부재의 내부 표면에 연결된다.
일 실시예에서, 이차 부재는 실패 없이 코일링에 의해 발생한 통로 차이로부터 발생하는 변형을 견딜 수 있도록, 연장될 때 잔류하는 축 방향 힘을 실질적으로 갖지 않고, 일차 부재의 축 방향 압축성(axial compressibility)보다 상당히 높은 축 방향 압축성을 갖는, 적어도 하나의 부분을 가진다.
일 실시예에서, 이차 부재는 실패 없이 연장되는 것에 의해 발생한 통로 차이로부터 발생하는 변형을 견딜 수 있도록, 코일될 때 잔류하는 축 방향 힘을 실질적으로 갖지 않고, 일차 부재의 축 방향 탄성(axial elasticity)보다 상당히 높은 축 방향 탄성을 갖는, 적어도 하나의 부분을 가진다.
일 실시예에서, 이차 부재는 그 코일되고 연장된 상태 사이에 있는 곡률 반경을 가질 때 잔류하는 축 방향 힘을 실질적으로 갖지 않는 적어도 하나의 부분을 가지며, 이차 부재는 높은 축 방향 압축성 및/또는 높은 축 방향 탄성을 가진다.
일 실시예에서, 이차 부재는 연장가능한 부재가 연장되었을 때, 연결 지점을 통해 일차 부재상에 알짜 힘(net force)을 발휘하고, 연결 지점은 연장된 부재에 작용하는 모멘트가 부재의 휨을 방지하기 위해 균형화되도록, 일차 부재의 관성 축에 위치하거나 또는 근접하게 위치한다.
예를 들어, 연장될 때 하중을 받고 있는 연결부가 인장하에서 놓이고, 이것이 연장된 STEM의 관성 중심에 있지 않으면(슬릿으로 인해, 그것이 큰 중첩부를 갖지 않는 한 STEM의 기하학적 축을 따라 놓이지 않을 것이다), 인장력은 STEM이 휘게 되도록 힘을 주게 될 것이다. STEM의 기하학적 중심보다, 관성에 대한 부착의 지점을 이동시켜, 이 인장력을 균형화시켜서, STEM의 축을 따라 알짜 모멘트(net moment)를 발휘하지 않도록 할 수 있다. 그래서 STEM는 직선으로 되게 된다.
일 실시예에서, 이차 부재는 연장가능한 부재가 연장될 때, 연결 지점을 통해 일차 부재에 알짜 힘을 발휘하고, 연결 지점은, 부재의 예정된 굴곡을 달성하기 위하여 알짜 모멘트가 부재 상에 작용하도록, 슬릿 튜브 부재의 관성 축으로부터 오프셋 된다.
부착 지점을 의도적으로 관성 중심으로부터 멀리 이동시켜, 관성 중심의 한 측면 또는 다른 측면에 이어지는 알짜 인장 부하로 STEM을 연장하게 할 수 있고, 따라서, 그것이 연장될 때 굽혀지게 한다. 압축 하중의 경우, 부착 지점은 다른 방식으로 이동한다.
일 실시예에서, 부재는 일차 부재의 길이를 따라 복수의 섹션에 연결된 복수의 이차 부재를 포함한다. 이차 부재의 섹션 사이에 형성된 간극은, 이차 부재상의 알짜 변형이 간극 내에서 해소되게 하여, 코일될 때 이차 부재의 버클링을 방지하게 된다. 이차 부재는 여전히 튜브에 비틀림과 축 방향 강성을 제공하기 위해 길이가 충분히 긴 섹션을 필요로 한다. 이것은 튜브의 형태와 응용의 형태에 어느 정도 의존한다. 바람직한 실시예에서, 섹션의 길이는 적어도 일차 부재의 최대 직경이고, 보다 바람직하게는, 일차 부재의 최대 직경의 두 배이다. 바람직한 실시예에서, 섹션의 길이는 가장 타이트한 반경으로 코일될 때, 적어도 부재의 360 도의 길이이다.
일 실시예에서, 이차 부재의 길이를 따라 진행하여, 이차 부재는 비교적 높은 축 방향 유연성(axial flexibility)과 비교적 낮은 축 방향 유연성의 부분을 갖는다. 낮은 축 방향 유연성을 갖는 부분은, 이차 부재에 의해 경험된 변형이 이들 부분에서 버클링 없이 해소되게 하고, 반면, 이차 부재의 단단한 부분은 일차 부재의 보강 효과에 더욱 기여한다.
일 실시예에서, 이차 부재는 코일되려는 자연적 경향이 있다. 이것은 이차 부재의 버클링 없이 일차 및 이차 부재를 코일링하기 위한 다른 기술을 제공한다.
일 실시예에서, 일차 부재는 연장된 관형 형태인 제1 쌍안정 상태와 코일된 형태인 제 2 쌍안정 상태를 갖는 쌍안정한 부재이다. 이것은 더 적은 에너지가 코일된 부재에 저장되며, 코일된 부재를 유지하는데 필요한 힘이 감소하거나 제거되도록, 연장가능한 부재를 코일된 상태와 연장된 상태에서 안정하게 한다.
일 실시예에서, 이차 부재는 연장되고 코일된 상태에서 쌍안정하다. 쌍안정한 이차 부재는 더 적은 에너지가 코일된 부재에 저장되게 한다.
일 실시예에서, 일차 부재와 이차 부재 사이의 하나 또는 모든 연결부는 힌지 또는 탄성의 가요성 부분을 포함한다. 일반적으로, 힌지를 더욱 유연하게 하면 할수록, 일차 부재와 이차 부재 사이에 곡률 반경은 더욱 작아 지고, 이것은 연장될 때 이차 부재를 일차 부재에 근접하게 위치시키고자 할 때 바람직하고, 이것은 부재에 높은 비틀림 안정성을 제공한다. 그러나 이러한 배열은 힌지 영역에 높은 변형을 야기한다. 따라서 일부 실시예에서, 변형을 줄이고 부재의 작동 수명을 증가시키기 위해 곡률 반경이 높은 것이 바람직할 수 있다.
일 실시예에서, 이차 부재와 일차 부재 사이의 하나 또는 모든 연결부는 이차 부재와 별도로 또는 일체로 형성된 탄성의 가요성 부분에 의해 형성된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 코일된 형태와 연장된 형태 사이에서 구성될 수 있는 연장가능한 부재를 제조하기 위한 연장가능한 부재 제조 방법이 제공되며, 상기 연장가능한 부재 제조 방법은,
일차 부재에 대한 제 1 및 제 2의 다른 주변 위치에서 일차 부재에 적어도 하나의 이차 탄성 부재를 연결하는 단계를 포함하고,
상기 일차 부재는 슬릿 튜브 형태로 탄성적으로 바이어스된 재료의 시트를 포함하고, 슬릿 튜브는 평탄화된 단면이 있는 개방된 형태를 취하는 슬릿에서 넓어질 수 있고,
연장된 형태에서, 일차 부재는 슬릿 튜브 형태로 있고, 이차 부재의 탄성력은, 일차 부재에 비틀림 및 축 방향 강성을 제공하기 위해, 이차 부재의 적어도 일부가 일차 부재 내의 슬릿을 향해 변위하도록 하고,
코일된 형태에서, 일차 부재는 개방 형태로 있고, 일차 부재와 이차 부재가 함께 코일 될 수 있도록, 이차 부재는 일차 부재의 편평한 단면에 일치한다.
일 실시예에서, 제 1 및 제 2 부재 사이의 틈새 공간은 부재의 길이의 일부 또는 전체를 따라 밀봉되고, 유체 압력이 밀봉된 틈새 공간에 공급될 수 있는 개구 를 갖는다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 상술한 연장가능한 부재를 배치하는 연장가능한 부재 배치 방법을 제공하며, 상기 연장가능한 부재 배치 방법은, 예를 들면, 연장가능한 부재를 연장하기 위하여, 밀봉된 틈새 공간 안으로 유체가 들어가도록 개구에 유체 압력을 인가하는 단계를 포함한다.
이것은 유체 압력, 예를 들면, 일차 및 이차 부재 사이에 형성된 틈새 공간에 대하여, 기체 또는 액체를 개구에 적용하여 부재를 연장하는 단순하고 편리한 방식을 제공한다. 밀봉된 틈새 공간은 유체 압력에 의해 관형 형태로 "팽창(inflate)" 되고, 따라서 부재를 연장시키는, 포켓(pocket)"을 형성한다.
바람직하게는, 제 1 및 제 2 부재 사이의 틈새 공간은 부재의 길이의 일부 또는 전체를 따라 밀봉되고, 부재의 길이를 따라 상이한 위치에서 제 1 및 제 2 개구를 갖는다.
본 발명의 제 4 양태에 따르면, 도관을 제공하기 위한 방법을 제공하며, 이 방법은 도관이 1 및 제 2 개구 사이에 형성되고, 재료가 이 제 1 및 제 2 개구 사이에서 보내지도록(channeled), 상술한 바와 같은 연장가능한 부재를 연장하는 단계를 포함한다.
이것은 재료를 운반하는 편리한 방법을 제공한다. 재료는 원칙적으로 임의의 유체, 즉 압력하에서 제 1 개구에 공급되는 액체 또는 가스, 또는 미립자 재료 또는 다른 적절한 재료와 같은 유동가능한 재료일 수 있다.
여기에서 표현된 "일 예에서(in one example)" 또는 "바람직하게는(preferable)" 의 임의의 기능은, 이러한 하나 또는 그 이상의 기능이 본 발명의 양태 중 어느 하나 또는 그 이상과 함께 조합되어 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 실시예들이 이제 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 코일된 연장가능한 부재의 일 예를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 종래 기술의 연장가능한 부재의 연장된 부분과 코일된 부분의 단면을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연장가능한 부재의 일 예를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일가능한 연장된 부재의 일 예의 연장된 부분의 단면을 도시한다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일가능한 연장된 부재의 일 예의 코일된 부분의 단면을 도시한다.
도 5는 연장가능한 부재에서 발생될 수 있는 버클링의 예를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부재의 다른 예의 연장된 부분의 단면을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 부재의 또 다른 예의 연장된 부분의 단면을 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연장가능한 부재(10)의 일 예를 도시한다. 연장가능한 부재(10)는 코일된 부분(11), 연장된 부분(12), 및 부재(10)가 그 코일된 형태(11)로부터 그 연장된 형태(12)로 전환되는 전이 부분(13)을 포함한다. 부재(10)는 그 길이를 따라 연속적으로 또는 간헐적으로 하나 이상의 이차 부재(15)에 결합된 일차 부재(14)를 포함한다.
일차 부재(14)는 슬릿 튜브를 형성하기 위해 탄성적으로 바이어스된 재료의 시트를 포함한다. 연장된 부재는 그 길이를 따라 축 방향으로 연장하는 슬릿을 갖는 튜브의 형태이고, 일차 부재가 슬릿에서 코일링을 위한 평평한 형태로 넓어지게 한다.
일차 부재(14)는 예를 들면 시트 금속 또는 복합 구조로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 일차 부재(14)는 손상을 방지하기 위해 강인한 탄성 시트로 제조된다. 바람직한 실시예에서, 일차 부재는 쌍안정 물질로 형성되어, 연장되고 코일 될 때, 안정한 형태를 갖고, 부재(10)를 코일된 형태로 유지하기 위해 필요한 힘이 적게 든다.
본 예에서, 도 4a에 잘 도시되어 있는 바와 같이, 연장될 때 일차 부재(14)의 단면은 일반적으로 원형이고, 일차 부재(14)의 에지(16)는 만나지 않고, 이것은 단면이 그 안에 간극을 가지고 있다는 것을 의미한다. 그러나 당업자는 본 명세서에서 인식하는 바와 같이, 일차 부재(14)가 원형 이외의 단면을 가질 수 있으며, 에지가 예를 들면, 부재가 360 도보다 크게 대향되는, 완전한 원 또는 중첩부를 형성하기 위해 "밀폐(close)" 되는 단면을 가질 수 있다.
비틀림 시에 일차 부재(14)를 보강하기 위해, 하나 이상의 이차 부재(15)가 단일 중공 부재를 형성하기 위해 부재를 "밀폐(close)"하는 몇 가지 방식으로, 일차 부재(14)의 양 측면에 결합하도록 제공되고, 그 예는 하기에 기술되어 있다.
도 4a 및 도 4b의 단면도에서 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 상기 또는 각각의 이차 부재(15)는 두 개의 주변 부착 지점(17)에서 일차 부재(14)에 연결된다(단면에서 보았을 때). 이차 부재(15)는 탄성적으로 굽은 부분이 있다. 이차 부재(15)는, 이차 부재(15)가 일차 부재(14)의 축을 따라 일차 부재(14)에 대하여 힌지되게 하는, 두 개의 힌지 기구(17)에 의해 일차 부재(14)에 부착된다. 부재(10)가 연장되면, 일차 부재(14)는 슬릿 튜브를 형성하고, 이차 부재(15)는 일차 부재(14)의 굽힘 면인, 슬릿을 향해 변위된다. 이에 따라, 이차 부재(15)는 "일체식 중공 부재(unitary hollow member)"를 형성하는 상기 일차 부재(14)의 슬릿을 "브리지(bridges)한다". 배치되지 않은 경우, 일차 부재(14)는 슬릿에서 평평하게 넓어지고 힌지(17)는 이차 부재(15)를 일차 부재(14)에 대해 평평하게 놓이게 하고, 따라서 상기 일차 부재(14)와 함께 코일되게 한다.
연장할 때 이차 부재(15)가 일차 부재(14)의 슬릿을 향해 이동하고, 코일될 때 일차 부재에 대해 평평하게 놓이도록, 임의의 형태의 가요성 커플링이 일차 및 이차 부재 사이에 제공된다. 기술한 바와 같이, 힌지 기구(17) 또는 대안적인 가요성 스트립이 사용될 수 있다. 이것은 이차 부재(15)가 일차 부재(14)에 대하여 힌지되게 하고, 이차 부재(15)를 일차 부재(14)의 개방 부분에 대하여 밀접하게 놓이게 하는 낮은 곡률반경을 달성하게 한다. 이것은 부재(10)에 양호한 비틀림 강성을 제공한다. 그러나 이러한 배열은 부재(10)의 작동 수명을 감소시킬 수 있는, 힌지 영역에 작용하는 높은 응력 및 변형을 유발할 수 있다. 힌지 기구(17) 또는 가요성 스트립은 이차 부재와 일체로 형성될 수 있거나 또는 개별적으로 제공될 수 있다.
도 4a 및 도 4b의 예로 돌아가서, 힌지 지점(17)은 일차 부재(14)와 떨어져서 및 슬릿으로부터 등거리에, 약 180도인 지점에서 일차 부재(14)의 내측 표면상에 위치된다. 부재(10)가 쉽게 평평한 형태로 넓어질 수 있도록, 평평하게 될 때 이차 부재(15)의 힌지(17) 사이의 거리는 평평하게 될 때 일차 부재(14)의 힌지 사이의 거리와 동일해야 한다. 이 거리는 도 4b에서 D1로 표시된다. 힌지 지점(17)을 넘어 연장하는 일차 부재(14)의 부분은 폭(D2 와 D3)을 갖는다. 이 예에서, D2 = D3 이다. 그러나 하기에서보다 상세히 설명하는 바와 같이, 힌지 지점의 위치는 원하는대로 변할 수 있다.
도 7은 도 4a 및 도 4b의 것에 대하여는 이차 부재(15)의 다른 배열을 갖는 연장가능한 부재(10)의 또 다른 예를 나타낸다. 도 7의 예에서, 이차 부재(15)는 일차 부재(14)의 에지(16)에 근접하여 일차 부재에 부착된다. 다시, 연결 지점(D1) 사이의 일차 부재(14)의 폭과 연결 지점 사이의 이차 부재(15)의 폭은 코일될 때 이차 부재(15)가 일차 부재(14)에 대해 평평하게 놓일 수 있도록 동일하다. 곡선 부분(15a)에 있어서, 이차 부재가 슬릿을 향해 변위 되도록, 이차 부재는 곡선 부분(15a)과 이 곡선 부분(15a)에 반대 방향으로 굽혀질 수 있는 힌지(17) 사이에 탄성 부분(15b)을 갖는다. 이 부분들은 높은 곡률 반경을 갖고, 따라서 곡선 부분(15a)은 일차 부재(14)에 근접하여 놓이지 않는다. 그러나 이것은 또한 힌지 영역과 탄성 부분(15b)에 작용하는 응력과 변형이 낮음을 의미하고, 부재(10)의 작동 수명을 연장하는 데 도움이 되는 것을 의미한다. 실제로, 필요한 경우, 힌지(17)는 완전히 생략될 수 있고, 탄성 부분(15b)만이 곡선 부분(15a)이 변위 할 수 있도록 단독으로 사용될 수 있다. 이것은 이차 부재의 에지 부분이 일차 부재의 에지 부분에 대하여 부착되거나 또는 다른 방식으로 고정되도록 구조를 단순화할 수 있고, 따라서, 슬릿에 근접한 일차 부재(14)의 에지 부분을 강화할 수 있다.
연장가능한 부재(10)의 구조에서 중요한 요소는, 양 부재(14, 15)의 버클링을 일으키는 일차 부재(14)와 이차 부재(15) 사이에서의 통로 차이 없이, 연장가능한 부재(10)가 코일 될 수 있게 하는 것이며, 이 버클링은 연장가능한 부재(10)를 손상시키거나 수명을 줄일 수 있다. 버클링이 어떻게 발생하는지의 예는 도 5에 도시되어 있고, 도 5는 내부 부재(201) 및 외부 부재(202)를 포함하는 부재(200)의 코일된 섹션의 길이 방향 축을 따르는 단면을 도시하며, 내부 부재(201)의 곡률 반경(r1)은 외부 부재(202)의 곡률 반경(r2)보다 작고, 이 결과, 내부 부재(201)는 더 짧은 통로 길이를 보상하기 위해 버클링을 일으키게 한다. 버클링을 방지함과 동시에, 부재(200)는 연장가능한 부재의 휨 성능 및/또는 비틀림 성능에 상당한 기여를 하기 위해, 후프 휨, 또는 후프 비틀림에서 충분히 높은 모듈러스를 나타내야 한다.
이제 버클링의 잠재적인 문제가 해결될 수 있는 방식의 예를 설명한다.
버클링을 해결하기 위한 하나의 방법은, 부재(10)를 코일 및/또는 연장할 때 통로 차이를 방지할 수 있는 충분히 낮은 축 방향 강성/계수를 갖도록 하는 방식으로 설계된 연속하는 이차 부재(15)를 제공하는 것을 포함한다. 즉, 이차 부재(15)는 필요한 비교적 낮은 축 방향 압축 계수 및 높은 축 방향 압축 변형-대-파괴(strain-to-break), 또는 낮은 축 방향의 인장 계수와 높은 축 방향 압축 변형-대-파괴, 또는 두 가지 모두(그 선택은 아래에서 기술되는 요인에 따른다)를 제공하고, 반면, 상대적으로 높은 축 방향 비틀림과 후프 계수를 나타내는 방식으로 설계된 특성을 갖는 재료로 제조된다. "변형-대-파괴(strain-to-break)"는 재료가 파괴되기 전에 받을 수 있는 그 원래의 길이/너비의 비율로서, 변형의 양이다.
엔지니어링 측면에서 이러한 물질은 매우 높은 등방성 특성이 있다. 이차 부재(15)의 이러한 특성은 예를 들어, 그들의 분자 또는 결정 구조의 결과로서 이러한 특성을 나타내는 물질을 사용하고, 또는 섬유 강화 복합 재료(이하, FRP라 칭함)를 사용하여 제조될 수 있고, 강화 섬유의 위치 및 배향은 이러한 형태의 등방성을 상승시키도록, 예를 들어, 섬유가 열 십자 패턴으로 배치될 수 있다. 대안적으로는, 금속시트가 사용될 수 있고, 이것은 그 안에 열 십자 패턴을 형성하는 뚫린 구멍을 갖는다. 이러한 기술은 그 자체가 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 여기서는 상세하게 논의되지 않는다. 이러한 등방성 물질을 생산하는 다른 수단은 여기서 기술되는 연장가능한 부재(10)의 제조에 사용하기에 적합한 이차 부재의 제조에 적합함을 증명할 수 있다.
버클링을 해결하기 위한 다른 방법은, 이차 부재(15)의 축 방향 길이를 따라 간헐적으로 변화하는 방식으로 설계된 특성을 갖는 물질로 제조된, 연속하는 이차 부재(15)를 제공하는 것을 포함하며, 비교적 높은 축 방향 계수 및 낮은 축 방향 압축 변형-대-파괴의 영역이 비교적 낮은 축 방향 계수 및 높은 축 방향 압축 변형-대-파괴의 영역과 교차하고 있어, 부재(14, 15) 사이의 통로 차이에서 파생된 누적적인 변형이 비교적 낮은 축 방향 계수 및 높은 축 방향 압축 변형-대-파괴의 영역에서 완화되게 된다. 그리고 이것은 연장된 부재(10)는 발생하는 버클링에 의한 통로 차이 없이 코일될 수 있게 한다. 이 목적을 달성하기 위해 임의의 적합한 수단이 이용될 수 있다. 이러한 수단은 간헐적으로 변화하는 두께를 갖고; 이차 부재(15)가 FRP로 형성되는, 보강 섬유 레이(lay)의 간헐적 변화; 상이한 축 방향 압축 특성의 두 개 이상의 물질 조각을 함께 결합함에 의한 연속하는 이차 부재(15)의 제조; 또는, 축 인장 특성, 또는 모두; 또는 상술된 기술들의 임의의 조합, 또는 임의의 다른 적절한 수단을 포함하는; 이차 부재(15)를 제공하는 것을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
버클링을 해결하기 위한 또 다른 방법은 일차 부재(14)의 축을 따라 간극에 의해 분리된 복수의 이차 부재(15)를 제공하는 것이다. 이것은 변형에 의해 유발된 누적적인 통로 차이가 간극에서 완화되게 하고, 따라서 연장가능한 부재(10)가 발생하는 버클링에 의한 통로 차이 없이 코일될 수 있게 한다. 그러나 이차 부재(15)는 최적의 비틀림 보강 효과를 유지하기 위해 일정 길이의 연장가능한 부재에 대해서 상당히 긴 길이로 제공될 필요가 있는 것을 주목해야한다.
필요한 경우, 이러한 세 가지 기술은 예를 들어, 상기 제 1 및 제 2 경우에서 언급된 특성을 갖는 이차 부재의 여러 섹션을 제공하여 조합될 수 있다.
이차 부재 또는 부재들(15)은 여러 가지 방식으로 일차 부재에 부착될 수 있다.
연장가능한 부재가 연장된 상태에서 실질적으로 응력이 없는, 제 1 기술이 사용될 수 있다. 이것은 예를 들어, 연장되어 있거나 또는 곧게 펼쳐진 형태일 때 두 부재(14, 15)를 결합하여 달성될 수 있다. 이 경우에, 이차 부재(15)의 축 방향 압축 계수는 코일링을 허용하도록 설계되어야 한다. 다시 말해, 이차 부재(15)는 코일이 이루어질 때, 일차 부재(14)에 대하여 상대적으로 힘이 주어지는, 감소된 통로 길이에 대한 버클링 없이 보상하기에 충분한 축 방향 압축성을 갖는다.
연장가능한 부재(10)가 코일된 상태에서 일차 부재(14)의 대략 반경에, 실질적으로 응력이 없는, 제 2 기술이 사용될 수 있다. 이것은 그들이 결합될 때 부재(14, 15)를 코일링하거나 국부적으로 만곡하여 달성될 수 있다. 이 경우에, 이차 부재(15)의 축 방향 인장 계수는 코일링을 허용하도록 설계되어야 한다. 다시 말해, 이차 부재(15)는 연장이 이루어질 때, 일차 부재(14)에 대하여 상대적으로 힘이 주어지는, 증가된 통로 길이에 대한 버클링 없이 보상하기에 충분한 축 방향 "탄성(elasticity)"을 갖는다. 바람직하게는, 연장가능한 부재(10)는 코일될 때, 가장 작은 기능성 반경에서, 높은 곡률로 인해 잠재적으로 응력이 가장 크고, 코일된 형태에서 그 길이를 따르는 어떤 지점에서는 응력이 없다. 더욱 바람직하게는, 연장가능한 부재(10)는 그 길이를 따라 제 2 부재(15)의 재료 특성을 적절하게 변화시킴으로써 그 길이의 대부분 또는 전부를 따라 응력이 없게 제조된다(아래에서 더 상세히 설명한다).
연장가능한 부재(10)가 직선, 연장된 상태(상기 경우 1)와 코일된 상태(상기 경우 2)의 곡률반경 사이에 있는 곡률 반경의 일부에 응력이 없는, 제 3 기술이 사용될 수 있다. 다시, 이것은 이들이 접합될 때, 부재(14, 15)를 국부적으로 굽힘 하여 달성될 수 있다. 이 경우 이차 부재(15)의 축 방향 압축 계수 및 축 방향 압축 변형-대-파괴와 축 인장 계수 및 축 방향 인장 변형-대-파괴는 코일링을 허용하도록 설계되어야 한다. 다시 말해, 이차 부재(15)는 코일이 이루어질 때, 일차 부재(14)에 대하여 상대적으로 힘이 주어지는 것이 가정될 때, 다른 통로 길이에 대한 버클링 없이 보상하기에 충분한 축 방향 압축성을 갖고, 이차 부재(15)는 연장이 이루어질 때, 일차 부재(14)에 대하여 상대적으로 힘이 주어지는 것이 가정될 때, 다른 통로 길이에 대한 버클링 없이 보상하기에 충분한 축 방향 "탄성(elasticity)"을 갖는다.
알 수 있는 바와 같이, 코일된 일차 부재(14)의 반경은 코일의 크기가 증가함에 따라 변화될 것이다. 따라서, 코일될 때(즉, 제 2 결합 기술을 사용하여), 결합이 STEM을 자연스럽게 형성하는 곡률반경에서 수행되는 경우에, STEM은 심지어 초기에 변형이 없는 경우에도, 코일의 수가 증가할 때처럼 몇몇 축 방향 및 커플링 변형을 발생시키는 것을 의미한다. 이 요지는 일차 부재(14)는 코일의 크기가 증가함에 따라 곡률 반경이 증가한다는 것이다. 따라서, 커플링 변형은 코일의 크기에 따라 증가하지만, 코일이 자연적인 이차 반경에 대하여 매우 크게 될 때까지 최소로 유지된다. 또한, 제 1 기술에 있어서도 동일하지만 반대로 될 수 있다. 제 3 기술은 제 1 및 제 2 기술의 중간 방식이고, 중립 지점은 가장 작은 코일과 연장된 형태 사이의 어딘가가 될 것이다.
코일의 길이가 공지된 경우, 야드 단위의 상품으로 만들기 보다는, 코일될 때 모든 지점에서 커플링 변형이 제로가 되는 방식으로(또는 일정한 +/-, 또는 필요 시 임의의 다른 방식으로 변화됨), 코일의 반경이 부착 지점에서 변할 수 있다.
또한, 길이를 따라 이차 부재(15)의 축 방향 압축/인장 강성을 변화시키는 것이 고려된다. 이러한 방식으로, 압축성/연장성의 정도는 반경이 변화할 때 국부적 변형에 일치하도록 변화될 수 있다(국부적 곡률이 커지면 통로의 차이가 감소됨).
제 2 및 제 3 기술을 이용하면, 이차 부재(15)상의 알짜 힘은 인장력이며, 부재(10)가 연장되는 경우, 일차 부재(14)상의 알짜 힘은 압축력이다. 이것의 효과는 그 연결부, 예를 들어, 힌지 기구(17)는, 일차 및 이차 부재(14, 15) 사이에서 생성하는, 즉 연결부에 작용하는 알짜 힘이 "하중을 받는(loaded)" 것이다. 이것은 연장될 때 부재(10)를 구부리는 경향이 있는 부재의 자연적인 굴곡 축(또는 관성 축) 주위에 커플을 발생할 수 있다. 많은 응용에서, 연장된 부재(10)는 직선화하는 것이 바람직할 것이다. 따라서, 그것은 연장될 때 부재(10)를 굽히는데 있어 커플링의 영향을 제어할 수 있는 것이 바람직하다. 이것을 하기 위해, 힌지(17)의 위치는, 직선으로, 관성적으로 균형잡힌, 연장된 부재(10)를 제조하기 위해, 힌지가 일차 부재(14)의 자연적인 굴곡 축에 위치하거나 여기에 근접하여 위치되도록 위치될 수 있다.
도 6은 원형 단면을 갖는 부재(10)에 대한 예를 도시한다. 즉, 튜브에 슬릿이 없는, 완전한 원형 단면을 위해, 자연적인 굴곡 축은 원의 중심을 통과하는 기하학적 축(18)과 거의 일치할 것이다. 그러나 튜브에서 슬릿의 존재는 튜브의 측면을 약화시키며, 이것은 자연적인 굴곡 축(19)(또는 관성 축)이 슬릿으로부터 멀리 발생하는 것을 의미한다. 부재(10)를 구부리게 되는 커플링의 생성으로부터 힌지(17)를 통해 작용하는 순 인장력 또는 압축력을 방지하기 위해, 연결 지점(17)이 슬릿으로부터 멀어지는 방향으로, 일차 부재의 기하학적 축(18)으로부터 오프셋 되도록, 자연적인 굴곡 축(19)에 또는 근접하여 배치된다.
대안적으로, 일부 응용에서는 굽혀진/아치형의 연장된 부재(10)를 의도적으로 만드는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 그 부재(10)의 특정한 재료 특성이 주어진바 대로 부재를 구부리는데 필요한 커플을 의도적으로 만들기 위해, 적당한 위치에 힌지 지점(17)을 위치시킴으로써 달성될 수 있다.
따라서, 힌지 지점(17)의 적절한 위치결정에 의해, 연장될 때 부재(10)의 형태를 제어하기 위해 부재(10)에 작용하는 알짜 힘을 재조정할 수 있다.
이차 부재(15)를 일차 부재(14)와 함께 코일하기 위한 다른 설계 방법은 본래 곡선으로 코일되려는 자연적 경향을 갖는 이차 부재(15)를 제공하는 것이다. 이것은 자연적으로 코일되려는 강한 경향을 제공하고, 버클링이 일정하게 작용하는 힘에 의해 억제되는 곳에서, 이차 부재를 압축하에 있는 일차 부재에 힘을 가하는 경향이 있다. 이것은 약간 다른 수단에 의해, 일차 부재로부터 떨어져 버클링하는 자연적 경향을 갖는 재료에서, 인장/압축 행동을 변경하여 동일한 결과를 달성한다.
예를 들어, 금속 또는 미리-응력을 받은 이차 부재(15)가 소위 " 리스트 슬래퍼(wrist slapper)" 장치가 사용되는 바와 같은 용도로 사용될 수 있다. 이들은 단면에 국부적으로 형성된 "브이(V)" 형태를 형성하기 위해, 부재의 중앙을 따라 펀치된 부분 또는 다르게 형성된 주름을 갖고 코일되는 자연적 경향을 갖는 금속 스트립을 포함한다. 이 주름은 직선 형태로 연장될 때 금속의 스트립에 " 헤어-트리거(hair-trigger)" 안정성을 제공한다(즉, 리스트 슬래퍼 코일을 만들기 위해 아주 약간의 힘만이 필요하다). 이 부재는 또한 복합 재료를 사용하여 달성될 수 있다. 이것은 이차 부재의 자연적인 코일링 반경이 충분히 밀착되어 있으면, 축 방향의 변형 커플링 문제없이 공동-코일링되고 쌍-안정하게 한다. 이차 부재의 축 방향 강성은 높지만, 그러나 부재는 본래의 곡선으로 인해 구부러지기를 원한다. 이 문제를 해결할 수 있는 수학적 해결책이 존재한다.
이차 부재(15)를 버클링 없이 일차 부재(14)와 코일을 형성하는 또 다른 방법은 즉, 이차 부재(15)를 네거티브 푸아송 계수로 쌍안정할 수 있도록 하는 것이다. 네거티브 푸아송 계수를 갖는 재료는, 모든 쌍안정하게 롤링되는 부재에서 행해진 동일한 힘의 결과로서, 일차 부재(14)와 함께 자동으로 공동 코일링되는, 이차 부재(15)의 제조를 허용한다. 재료가 네거티브 푸아송 계수를 갖는 경우, 재료가 그 일차 축을 따라 넓어지게 코일되면, 포지티브 푸아송 비의 재료가 보존되기보다는 오목면과 볼록면이 반대로 되어 자연스럽게 코일된다.
도 7의 예에서, 두 개의 탄성 부분(15b)은 일차 부재(14)의 곡률 반경과 동일한 의미인 자신의 곡률 반경을 가진다. 이것은 일차 부재(14)와 이차 부재(15)가, 쌍안정에 대한 일차 조건을 충족하게 놓일 경우, 그들 레이(lay)가 함께-코일되는 자연적인 경향을 가질 것이라는 것을 의미한다. 쌍안정성을 생성하기 위하여 레이를 배치하기 위한 다양한 기술(예를 들어, 재료를 구성하는 다양한 층에서 강화 섬유의 배향)이 그 자체로 당해 분야에 공지되어 있으며 여기에서는 상세히 논의되지 않는다.
이들 조건들은, STEM의 재료가, 축을 따라 평평하게 개방되었을 때, 곡률의 일차 축에 대하여 약간의 각도로 이차 곡률을 생성하기 위해 충분한 순 푸아송 비를 가진 경우 적용되고; 이 이차 곡률이 STEM 에게 부여하는 충분한 크기를 갖는 경우, 이차 굽혀진 형태에서는, 곡률의 원래 축을 따라 뒤로 굽혀지는 것을 충분하게 방지하는 곡률 파생 강도를 제공한다. 이러한 효과는 재료의 등방성의 조작에 의해 더욱 변경될 수 있다. 예를 들어, 이차 곡률의 축을 따라 압축시에 강한 재료는 동일한 순 푸아송 비를 갖는 것보다 작은 이차 커브를 형성하게 되고, 이것은 푸아송으로부터 얻어진 힘이 이차 축을 따라 재료의 비압축성에 의해 확장되듯이, 곡률의 일차 축을 따라 압축 및/또는 굽힘에서 강성을 갖는다. 항상 그렇지는 않지만, 대부분의 쌍안정 부재를 위한 최적의 구조는 가장 높은 푸아송 비를 갖는 재료를 STEM의 표면을 향해 한 면, 또는 양면에 배치하는 것이고, 가장 낮은 푸아송 비 및 가장 높은 축 방향 강도를 갖는 임의의 재료를 재료의 평면의 굽힘의 중립 축을 향해 배치하는 것이다. 이것은 푸아송의 비로 얻어진 효과를 극대화하여, 롤링 및/또는 진정한 양방향 안정성을 용이하게 하며, 연장된 STEM의 전체 강성을 유지하면서, 국부적인 굽힘 강성을 최소화할 수 있다.
연장가능한 부재의 제조의 중요한 고려 사항은, 두 개의 사이에서 중첩하는 영역에서, 이차 부재의 외부 면에 대하여 일차 부재의 내부 면을 가역적 또는 비가역적으로, 연속적으로 또는 간헐적으로 커플링하기 위한 임의의 수단을 제공하는 것이다. 이러한 커플링은 상기 일차 부재(14)의 슬릿 에지의 외부를 향한 버클링의 발생을 지연하여 연장가능한 부재의 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 이러한 수단은 이러한 목적에 적합한 것으로 발견될 수 있는, 벨크로, 접착제, 용접 기술, 리벳, 나사결합, 볼트결합, 스티칭, 피닝 또는 다른 수단을 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.
일부 실시예에서 연장될 때 일차 부재(14)의 에지를 가역적 또는 비가역적으로, 연속적으로 또는 간헐적으로 커플링하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 커플링은 상기 일차 부재(14)의 슬릿 에지의 외부를 향한 버클링의 발생을 지연하여 연장가능한 부재의 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 이러한 수단은 이러한 목적에 적합한 것으로 발견될 수 있는, 버클, 스트립에 고정된 벨크로, 지퍼, 접착 테이프, 기계적 래치, 또는 다른 수단을 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 특성은 다수의 실시예들이 실현될 수 있는 것이다, 이들은 단순 STEM 또는 BRC 또는 그 임의의 조합을 이용할 수 있고, 다른 많은 제조 기술을 이용하여 다수의 다양한 물질로부터 제조될 수 있다. 예시로서, 이제 그 하나의 실시예가 그 제조 수단과 함께 설명된다.
바람직한 실시예에서, 쌍안정 코일가능한 복합체(BRC)는 일차 부재(14)를 위해 사용된다. 이것은 당업자에게 있어 정상적인 방식으로 제조될 수 있는데, 즉 그 자연적인 코일링 반경은, 이차 부재(15)의 순 압축 계수로 연결되도록 계수(factor)에 의해 발생되는 연장가능한 부재(10)의 원하는 코일링 반경보다 작게 되는 방식으로 제조될 수 있고, 이차 부재에는 원하는 최종 코일링 반경의 연장가능한 부재(10)를 제조하도록 접합된다. 일차 부재(14)의 내부 반경과 동일한 외부 반경을 갖고, 일차 부재(14)의 내부 주변의 절반의 폭을 갖는 평평한 폭을 갖는 굽혀진 이차 부재(15)는 섬유 보강 플라스틱으로 제조되며, 여기서 섬유는 후프에서 축에 대하여 플러스 및 마이너스 45도의 각도로 놓이고, 따라서 부재는 낮은 축 방향 인장 및 압축 계수, 및 높은 축 방향 및 압축 파괴에 대한 응력을 갖지만, 루프와 비틀림 하중 면에서 비교적 높은 계수를 갖는다. 그리고 탄성 멤브레인 또는 멤브레인들, 짜여진 직물의 스트립 또는 스트립들은 이차 부재(15)의 에지를 따라 플랩을 떠나듯이 이차 부재(15)의 내부 표면에 결합한다. 그리고 이들 플랩은 연장된 부재(10)를 형성하도록 그 축을 따라 일차 부재(14)의 내부 표면에 접합된다.
본 발명은 보관 또는 운송을 위해 콤팩트화될 수 있는 구조를 제공하는 것이 바람직한 곳, 또는 높은 연장성의 직선으로 작동하는 수단이 요구되는 곳에서 이용될 수 있는 것을 증명하는 것이 예상된다. 이러한 응용은 로봇 팔, 안테나 또는 카메라 또는 센서 또는 다른 장치를 위한 마스트, 건물이나 교량과 같은 임시적인 또는 영구적인 구조물 또는, 그들의 특성이 바람직하게 증명될 수 있는, 다른 사용을 위하여 제공되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
연장가능한 부재(10)는 연장가능한 부재를 배치하기 위한 임의의 종래의 수단, 예를 들어, 부재를 코일 및/또는 언코일 하기 위해 동력 스풀을 사용하여 배치되거나, 또는 단순히 수동으로 사용하여 배치될 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 일차 및 이차 부재 사이의 틈새 공간은 밀봉될 수 있다. 이것은 유체 즉, 기체 또는 액체를 압력하에서, 공간 내의 개구부를 통해 일차 및 이차 부재(14, 15) 사이에 형성된 틈새 공간 내에 넣어, 부재가 연장되게 한다. 부재는 유체의 유입을 촉진하기 위해 개구부에 고정된 밸브 또는 다른 적절한 기계적인 부착 지점을 가질 수 있다. 따라서, 이것은 부재(10)의 실제의 배치 수단을 제공한다.
공간의 길이를 따라 상이한 위치에 개구부를 가진 부재 (14, 15) 사이에 밀봉된 틈새 공간을 가지면 많은 잠재적인 용도를 가질 수 있는 도관을 제공할 수 있다. 예를 들어, 이것은 개구부 사이에서 가스 또는 유체 또는 임의의 다른 물질을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 부재는 재료의 유입을 촉진하기 위해 개구부에 고정된 밸브 또는 다른 적절한 기계적인 부착 지점을 가질 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 본 발명은 코일가능하고, 연장가능한 도관 또는 파이프를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 특정 실시예를 참조하여 설명되었다. 그러나 변형 및 수정이 본 발명의 범위 내에서 설명된 실시예에서 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 연장가능한 부재 11 코일된 부분
12 연장된 부분 13 전이 부분
14 일차 부재 15 이차 부재

Claims (21)

  1. 코일된 형태와 연장된 형태 사이에서 구성될 수 있는 연장가능한 부재로서,
    슬릿 튜브 형태로 탄성적으로 바이어스된(biased) 재료의 시트를 포함하는 일차 부재로서, 상기 슬릿 튜브는 평탄화된 단면이 있는 개방 형태를 취하도록 슬릿에서 넓어질 수 있는, 일차 부재; 및
    상기 일차 부재상의 각각 다른 주변 위치에서 일차 부재에 대한 제 1 및 제 2 연결부를 가지는, 적어도 하나의 탄성 이차 부재를 포함하며,
    연장된 형태에서, 상기 일차 부재는 슬릿 튜브 형태로 있고, 상기 이차 부재의 탄성력(resiliency)은, 일차 부재에 비틀림 및 축 방향 강성을 제공하기 위해, 상기 이차 부재의 적어도 일부를 일차 부재에서의 슬릿을 향해 변위하도록 하고,
    코일된 형태에서, 상기 일차 부재는 개방 형태로 있고, 상기 이차 부재는, 상기 일차 부재와 이차 부재가 함께 코일될 수 있도록, 상기 일차 부재의 편평한 단면에 일치하는, 연장가능한 부재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연장가능한 부재는 코일된 형태로부터 연장된 형태로 점차적으로 변형되는, 연장가능한 부재.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 연결부 사이에서 상기 일차 부재와 이차 부재의 폭은 동일한, 연장가능한 부재.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 이차 부재는 상기 일차 부재의 내부 표면에 연결되는, 연장가능한 부재.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 이차 부재는, 실패 없이 코일링에 의해 발생한 통로 차이로부터 발생하는 변형을 견딜 수 있도록, 연장될 때 잔류하는 축 방향 힘을 실질적으로 갖지 않고, 상기 일차 부재의 축 방향 압축성(axial compressibility)보다 상당히 높은 축 방향 압축성을 갖는, 적어도 하나의 부분을 가지는, 연장가능한 부재.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 이차 부재는, 실패 없이 연장되는 것에 의해 발생한 통로 차이로부터 발생하는 변형을 견딜 수 있도록, 코일될 때 잔류하는 축 방향 힘을 실질적으로 갖지 않고, 상기 일차 부재의 축 방향 탄성(axial elasticity)보다 상당히 높은 축 방향 탄성을 갖는, 적어도 하나의 부분을 가지는, 연장가능한 부재.
  7. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 이차 부재는, 이차 부재의 코일되고 연장된 상태 사이에 있는 곡률 반경을 가질 때, 잔류하는 축 방향 힘을 실질적으로 갖지 않는 적어도 하나의 부분을 가지며, 상기 이차 부재는 높은 축 방향 압축성 및/또는 높은 축 방향 탄성을 가지는, 연장가능한 부재.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 이차 부재는, 상기 연장가능한 부재가 연장되었을 때, 연결 지점을 통해 상기 일차 부재 상에 알짜 힘(net force)을 발휘하고, 상기 연결 지점은, 연장된 부재 상에 작용하는 모멘트가 부재의 휨을 방지하기 위해 균형화되도록, 상기 일차 부재의 관성 축에 위치하거나 또는 근접하게 위치하는, 연장가능한 부재.
  9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 이차 부재는, 상기 연장가능한 부재가 연장될 때, 연결 지점을 통해 일차 부재 상에 알짜 힘을 발휘하고, 상기 연결 지점은, 부재의 예정된 굴곡을 달성하기 위하여 알짜 모멘트가 부재 상에 작용하도록, 슬릿 튜브 부재의 관성 축으로부터 오프셋되는, 연장가능한 부재.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 일차 부재의 길이를 따라 복수의 섹션에 결합된 복수의 이차 부재를 포함하는, 연장가능한 부재.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 이차 부재의 길이를 따라 진행하여, 상기 이차 부재는 비교적 높은 축 방향 유연성(axial flexibility)과 비교적 낮은 축 방향 유연성의 부분을 갖는, 연장가능한 부재.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 이차 부재는 코일되려는 자연적 경향이 있는, 연장가능한 부재.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 일차 부재는 연장된 관형 형태의 제1 쌍안정 상태와 코일된 형태의 제 2 쌍안정 상태를 갖는 쌍안정한(bistable) 부재인, 연장가능한 부재.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 이차 부재는 연장되고 코일된 상태에서 쌍안정한, 연장가능한 부재.
  15. 청구항 1 내지 청구항 16중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 일차 부재와 이차 부재 사이의 하나 또는 모든 연결부는 힌지 또는 탄성의 가요성 부분을 포함하는, 연장가능한 부재.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 이차 부재와 일차 부재 사이의 하나 또는 모든 연결부는 상기 이차 부재와 별도로 또는 일체로 형성된 탄성의 가요성 부분에 의해 형성되는, 연장가능한 부재.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 부재 사이의 틈새 공간은 부재의 길이의 일부 또는 전체를 따라 밀봉되고, 유체 압력이 밀봉된 틈새 공간에 공급될 수 있는 개구를 갖는, 연장가능한 부재.
  18. 청구항 17, 청구항 1 내지 청구항 16중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 부재 사이의 틈새 공간은 부재의 길이의 일부 또는 전체를 따라 밀봉되고, 부재의 길이를 따라 상이한 위치에서 제 1 및 제 2 개구를 갖는, 연장가능한 부재.
  19. 코일된 형태와 연장된 형태 사이에서 구성될 수 있는 연장가능한 부재를 제조하기 위한 연장가능한 부재 제조 방법으로서,
    일차 부재에 대한 제 1 및 제 2의 다른 주변 위치에서 일차 부재에 적어도 하나의 이차 탄성 부재를 연결하는 단계를 포함하고,
    상기 일차 부재는 슬릿 튜브 형태로 탄성적으로 바이어스된 재료의 시트를 포함하고, 상기 슬릿 튜브는 평탄화된 단면이 있는 개방된 형태를 취하는 슬릿에서 넓어질 수 있고,
    연장된 형태에서, 상기 일차 부재는 슬릿 튜브 형태로 있고, 상기 이차 부재의 탄성력은, 일차 부재에 비틀림 및 축 방향 강성을 제공하기 위해, 상기 이차 부재의 적어도 일부가 일차 부재 내의 슬릿을 향해 변위하도록 하고,
    코일된 형태에서, 상기 일차 부재는 개방 형태로 있고, 상기 일차 부재와 이차 부가 함께 코일될 수 있도록, 상기 이차 부재는 상기 일차 부재의 편평한 단면에 일치하는, 연장가능한 부재 제조 방법.
  20. 청구항 17에 따른 연장가능한 부재를 배치하는 연장가능한 부재 배치 방법으로서,
    상기 연장가능한 부재 배치 방법은, 상기 연장가능한 부재를 연장하기 위하여, 밀봉된 틈새 공간 안으로 유체가 들어가도록, 개구에 유체 압력을 인가하는 단계를 포함하는, 연장가능한 부재 배치 방법.
  21. 도관을 제공하기 위한 도관 제공 방법으로서,
    상기 도관이 제 1 및 제 2 개구 사이에 형성되고, 재료가 제 1 및 제 2 개구 사이에서 보내지도록(channeled), 청구항 18에 따른 연장가능한 부재를 연장하는 단계를 포함하는, 도관 제공 방법.
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