RU2753557C1 - Lyamin's woven spatial structure (variants) - Google Patents
Lyamin's woven spatial structure (variants) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2753557C1 RU2753557C1 RU2020128344A RU2020128344A RU2753557C1 RU 2753557 C1 RU2753557 C1 RU 2753557C1 RU 2020128344 A RU2020128344 A RU 2020128344A RU 2020128344 A RU2020128344 A RU 2020128344A RU 2753557 C1 RU2753557 C1 RU 2753557C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- structural
- blocks
- braided
- interconnected
- curved
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E04—BUILDING
- E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
- E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
- E04B1/32—Arched structures; Vaulted structures; Folded structures
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Architecture (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Image Generation (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnology area
Изобретение относится к области конструктивных элементов, сборных конструкций, состоящих из этих элементов. Более конкретно, к конструкциям, составленным из двух или более продолговатых элементов, скрепленных по кромкам, и предназначенных для прикрепления к подобным элементам в различных взаимных положениях. Изобретение может быть использовано в машиностроении, авиастроении, в строительстве и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of structural elements, prefabricated structures consisting of these elements. More specifically, to structures made up of two or more elongated elements attached along the edges and intended to be attached to like elements in different mutual positions. The invention can be used in mechanical engineering, aircraft construction, construction and other industries.
Предшествующий уровень техникиPrior art
Известна пространственная система структуры конструкции, описанная в патенте США №4,156,997, «Light weight tension-compression equilibrium structures)); МПК: F16S 3/00 (20060101); E04C 003/10; авторы: Decker, deceased; Bert J. (LATE OF Buffalo, NY), Decker, executrix; Jean S. (Buffalo, NY); приоритет: 14.07.1975, опубликовано 05.06.1979.Known spatial system of the structure of the structure, described in US patent No. 4,156,997, "Light weight tension-compression equilibrium structures)); IPC:
Легковесный, по существу плоский, структурный блок, который содержит не менее трех элементов сжатия в контакте друг с другом во внутренней части блока и множество натяжных элементов в контакте с такими элементами сжатия и оказывающими уравновешивание сил, действующих на элементы сжатия в плоскости структурного блока и удерживающих элементы сжатия в положении по отношению друг к другу укрепить их. Указанные участники напряженности производят силы сжатия в элементах сжатия, которые направлены в плоскости структурной единицы к точке контакта сжатия элементов во внутренней части плоскости структурного блока. Указанные силы, также сжимающие силы, приложенные к участникам сжатия, превышающие величину силы, обычно требуемой для скрепления указанных элементов сжатия. Элементы натяжения, распределены вдоль длины элементов сжатия таким образом, чтобы расстояния между растянутыми элементами вдоль элементов сжатия меньше длины, в которых одни только участники сжатия скрепили бы пряжкой под полными сжимающими силами.A lightweight, substantially flat, structural block that contains at least three compression members in contact with each other in the interior of the block and a plurality of tension members in contact with such compression members and balancing forces acting on the compression members in the plane of the structural block and holding compression elements in position in relation to each other to strengthen them. The specified participants in tension produce compressive forces in the elements of compression, which are directed in the plane of the structural unit to the point of contact of compression of the elements in the inner part of the plane of the structural unit. The specified forces, also compressive forces applied to the participants in compression, exceed the amount of force usually required to hold the specified compression members together. The tension members are distributed along the length of the compression members such that the distances between the tension members along the compression members are less than the length in which the compression members alone would buckle under full compressive forces.
Признаки, совпадающие с существенными признаками изобретения, структурный блок содержит не менее трех элементов в контакте друг с другом, уравновешивание сил, действующих на элементы.Features that coincide with the essential features of the invention, the structural block contains at least three elements in contact with each other, balancing the forces acting on the elements.
Недостатком данного напряженно сжатого структурного блока можно считать зависимость целостности конструкции от целостности каждого единичного элемента. Разрушение любого из натяжных элементов или элементов сжатия приведет к разрушению структурного блока. Изготовление структурного блока требует предварительного изготовления натяжных элементов и элементов сжатия. Это усложняет и удорожает доставку элементов к месту сборки конструкции из структурных блоков.The disadvantage of this tensely compressed structural unit can be considered the dependence of the integrity of the structure on the integrity of each single element. Failure of any of the tension or compression members will result in the destruction of the structural block. The fabrication of the structural block requires pre-fabrication of tension and compression elements. This complicates and increases the cost of delivering elements to the assembly site of a structure from structural blocks.
В качестве прототипа для заявляемой плетёной пространственной конструкции был выбран легковесный напряженно сжатый структурный блок, описанный в патенте США №5,505,035, приоритет 24.06.1992; опубл. 09.04.1996 г.; МПК: Е04В 1/18; автор: Heresh Lalvani.As a prototype for the claimed wicker spatial structure, a lightweight tensely compressed structural unit described in US patent No. 5,505,035, priority June 24, 1992, was chosen; publ. 04/09/1996; IPC: E04B 1/18; author: Heresh Lalvani.
Пространственная система структуры конструкции заключается в том, что она содержит множество элементов соединенных множеством распорок, что узел вписан в неправильный - многогранник, многогранник включает интерьер и поверхность, указанная поверхность включает вершины, ребра и грани, где по крайней мере одна из сказанных граней - неправильный многоугольник, многоугольник имеющий по крайней мере два различных угла между указанными ребрами, и где сказано, что неправильный многогранник несимметричен правильному параллелепипеду и правильной призме, правильные параллелепипеды, и правильные призмы состоят только из правильных многоугольников, где узлы получены из указанных линий, линии соединены в точке, лежащей внутри многогранника, линии соединяют точку внутри многогранника и точки на гранях многогранника указанные линии являются распорками указанные ячейки соединены с распорками с возможностью сделать множество пространственных конфигураций.The spatial system of the structure of the structure consists in the fact that it contains many elements connected by many spacers, that the node is inscribed in an irregular polyhedron, a polyhedron includes an interior and a surface, the specified surface includes vertices, edges and faces, where at least one of the said faces is incorrect polygon, a polygon that has at least two different angles between the indicated edges, and where it is said that an irregular polyhedron is asymmetric to a regular parallelepiped and a regular prism, regular parallelepipeds, and regular prisms consist only of regular polygons, where the nodes are obtained from the indicated lines, the lines are connected in to the point lying inside the polyhedron, the lines connect the point inside the polyhedron and the points on the faces of the polyhedron, these lines are spacers, the indicated cells are connected to the spacers with the ability to make a variety of spatial configurations.
Признаки, совпадающие с существенными признаками изобретения, пространственная система структуры содержит множество соединенных элементов, многогранник включает поверхность, поверхность включает вершины, ребра и грани, правильные призмы состоят только из правильных многоугольников.Features that coincide with the essential features of the invention, the spatial system of the structure contains many connected elements, a polyhedron includes a surface, a surface includes vertices, edges and edges, regular prisms consist only of regular polygons.
Недостатком данной пространственной системы структуры конструкции является то обстоятельство, что единичные элементы выполнены только в прямолинейном виде. Сборка объемного тела из единичных элементов требует дополнительных крепежных узлов, материала и оборудования. Целостности конструкции зависит от целостности каждого единичного элемента. Разрушение любого из элементов приведет к разрушению структурного блока.The disadvantage of this spatial system of the structure of the structure is the fact that the individual elements are made only in a rectilinear form. The assembly of a volumetric body from single elements requires additional fasteners, material and equipment. The integrity of a structure depends on the integrity of each single element. Destruction of any of the elements will lead to the destruction of the structural block.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение устойчивости пространственной конструкции, а при разрушении нескольких блоков в ее составе.The problem to be solved by the claimed invention is to increase the stability of the spatial structure, and when several blocks are destroyed in its composition.
Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в уравновешивании сил взаимодействия элементов в каждом структурном блоке пространственной конструкции.The technical result achieved when solving this problem is to balance the forces of interaction of elements in each structural block of the spatial structure.
Плетёная пространственная конструкция, содержащая узлы и линейные элементы, согласно изобретению, каждый линейный элемент выполнен конечной длины, и изогнут в пространстве с получением формы, соответствующей заранее рассчитанной математической модели с использованием теорий сплайнов. При этом изогнутый элемент представляет из себя кривой стержень. Кривые стержни переплетены друг с другом и связаны друг с другом с образованием плетёного многоугольника, с выходящими из него концами кривых стержней. Плетёные многоугольники соединены между собой связанными концами кривых стержней с образованием структурного блока в форме многогранника. Структурные блоки соединены между собой концами кривых стержней с образованием плетёной пространственной конструкции.A wicker spatial structure containing nodes and linear elements, according to the invention, each linear element is made of finite length, and is bent in space to obtain a shape corresponding to a pre-calculated mathematical model using spline theories. In this case, the curved element is a curved bar. Curved rods are intertwined with each other and connected to each other to form a braided polygon, with the ends of the curved rods protruding from it. Braided polygons are connected by connected ends of curved rods to form a polyhedron-shaped structural block. Structural blocks are interconnected by the ends of curved rods to form a braided spatial structure.
Во втором варианте плетёная пространственная конструкция содержащая узлы и линейные элементы, согласно изобретению, каждый линейный элемент выполнен конечной длины и изогнут в пространстве с получением формы, соответствующей заранее рассчитанной математической модели с использованием теорий сплайнов. При этом изогнутый элемент представляет из себя кривой стержень. Кривые стержни связаны друг с другом с образованием контура многоугольников, которые связаны между собой с образованием каркасного структурного блока. Каркасные структурные блоки связаны между собой концами кривых стержней с образованием плетёной пространственной конструкции.In the second version, a woven spatial structure containing nodes and linear elements, according to the invention, each linear element is made of finite length and curved in space to obtain a shape corresponding to a pre-calculated mathematical model using spline theories. In this case, the curved element is a curved bar. Curved rods are connected to each other to form the outline of polygons, which are connected to each other to form a wireframe structural unit. Frame structural blocks are interconnected by the ends of curved rods to form a braided spatial structure.
Совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата уравновешивание сил взаимодействия элементов в каждом структурном блоке и каркасном блоке, что позволяет решить задачу повышения устойчивости плетёной пространственной конструкции к разрушению при разрушении нескольких блоков в ее составе.The set of essential features provides a technical result, balancing the forces of interaction of elements in each structural block and frame block, which allows solving the problem of increasing the resistance of a wicker spatial structure to destruction when several blocks in its composition are destroyed.
Каркасные структурные и структурные блоки могут быть соединены между собой концами кривых стержней, которые рассчитаны по математическим моделям на принципах тангенциального хода, «свободной геометрии» с использованием теорий сплайнов.Skeleton structural and structural blocks can be interconnected by the ends of curved rods, which are calculated by mathematical models on the principles of tangential motion, "free geometry" using spline theories.
Каждый кривой стержень может быть рассчитан методами на принципах тангенциального хода, «свободной геометрии» с использованием теорий сплайнов.Each curved bar can be calculated by methods based on the principles of tangential motion, "free geometry" using spline theories.
Плетёные многоугольники могут быть соединены между собой концами кривых стержней, выходящими из вершин плетёных многоугольников, или выходящими из сторон плетёных многоугольников.Braided polygons can be connected to each other by the ends of curved rods extending from the vertices of the braided polygons, or extending from the sides of the braided polygons.
Структурные блоки и каркасные блоки могут быть соединены между собой концами кривых стержней, выходящими из смежных вершин структурных блоков, или выходящими из смежных ребер этих блоков, или выходящими из ребер одного блока и вершин смежного ему другого блока.Structural blocks and frame blocks can be interconnected by the ends of curved rods emerging from adjacent vertices of structural blocks, or emerging from adjacent edges of these blocks, or emerging from the edges of one block and the vertices of another block adjacent to it.
Структурные блоки могут быть соединены между собой концами кривых стержней, выходящими из смежных плетёных многоугольников образующих грани структурных блоков; или выходящими из плетёного многоугольника, образующего грань одного структурного блока, и из ребра смежного ему блока; или выходящими из плетёного многоугольника образующего грань одного структурного блока и из вершины смежного ему блока.Structural blocks can be interconnected by the ends of curved rods emerging from adjacent braided polygons forming the edges of the structural blocks; or emerging from a braided polygon forming a face of one structural block, and from an edge of an adjacent block; or emerging from the braided polygon forming the face of one structural block and from the vertex of the adjacent block.
Это позволяет исключить крепежные элементы между соединяемыми линейными элементами, уравновешивать силы, возникающие в структурном блоке и в узлах соединения структурных блоков.This makes it possible to exclude fasteners between the connected linear elements, to balance the forces arising in the structural block and in the joints of the structural blocks.
Таким образом, данное техническое решение обеспечивает отсутствие в конструкциях крепежных элементов и других конструктивных способов соединений внутри структурных блоков и в соединениях между структурными блоками конструкции. При этом силы взаимодействия элементов в каждом структурном блоке конструкции уравновешены. Это позволяет повысить устойчивость конструкции к разрушению при разрушении нескольких блоков в ее составе.Thus, this technical solution ensures the absence of fasteners and other constructive methods of connections within the structural blocks and in the connections between the structural blocks of the structure in the structures. In this case, the forces of interaction of elements in each structural block of the structure are balanced. This makes it possible to increase the resistance of the structure to destruction when several blocks in its composition are destroyed.
В приведенных аналогах, характеризующих уровень техники, отсутствует средство, которому присущи все признаки изобретения, выраженного предложенной формулой таким образом, чтобы все признаки известного ранее средства содержались в одном источнике информации. Это подтверждает соответствие заявленного изобретения условию «новизна».In the cited analogs characterizing the prior art, there is no means in which all the features of the invention, expressed by the proposed formula, are inherent in such a way that all the features of the previously known means are contained in one source of information. This confirms the compliance of the claimed invention with the "novelty" condition.
Сведения, содержащиеся в уровне техники, путем объединения, изменения или совместного использования не могут создать предлагаемого изобретения. Из уровня техники не были выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками рассматриваемого изобретения. Был сделан вывод, что изобретение явным образом не следует для специалиста из уровня техники. Это подтверждает соответствие заявленного изобретения условию «изобретательский уровень».The information contained in the prior art, by combining, changing or sharing, cannot create the proposed invention. From the prior art, no solutions have been identified that have features that coincide with the distinctive features of the invention under consideration. It was concluded that the invention does not explicitly follow from the prior art for a person skilled in the art. This confirms the compliance of the claimed invention with the condition "inventive step".
Краткое описание фигур чертежаBrief Description of Drawing Figures
На фиг. 1 показан участок фундаментального сплайна r(t) между конечными точками pk и Pk+1.FIG. 1 shows a section of the fundamental spline r (t) between the end points p k and P k + 1 .
На фиг. 2 показаны касательные векторы в конечных точках параллельные хордам FIG. 2 shows tangent vectors at endpoints parallel to chords
На фиг. 3 показан график кривой на участке, ограниченном контрольными точками pk+1 и pk в плоскости OXZ.FIG. 3 shows a graph of the curve in the area bounded by the control points p k + 1 and p k in the OXZ plane.
На фиг. 4 показан график кривой между контрольными точками pk и pk-1 в плоскости OYZ.FIG. 4 is a plot of the curve between control points p k and p k-1 in the OYZ plane.
На фиг. 5 показана математическая модель кривого стержня в проекциях OXY, OXZ, OYZ.FIG. 5 shows a mathematical model of a curved bar in the projections OXY, OXZ, OYZ.
На фиг. 6 показан кривой стержень 1.FIG. 6 shows a
На фиг. 7 показан плетёный многоугольник 2 структурного блока 3.FIG. 7 shows a
На фиг. 8 показан панельный пустотелый структурный блок 3.FIG. 8 shows a panel hollow
На фиг. 9 показана схема пустотелого панельного структурного блока 3.FIG. 9 shows a diagram of a hollow panel
На фиг. 10 показана схема каркасного структурного блока 5.FIG. 10 shows a diagram of the frame
На фиг. 11 показана схема комбинированного пустотелого структурного блока 3.FIG. 11 shows a schematic diagram of a combined hollow
На фиг. 12 показана схема связевого панельного структурного блока 3.FIG. 12 shows a diagram of a communication panel
На фиг. 13 показана схема каркасного структурного блока 5.FIG. 13 shows a diagram of the frame
На фиг. 14 показана схема связевого смешанного структурного блока 3.FIG. 14 shows a diagram of a communication mixed
На фиг. 15 показана схема соединения плетёных многоугольников 2 в вершинах структурного блока 3.FIG. 15 shows a diagram of the connection of braided
На фиг. 16 показана схема соединения плетёных многоугольников 2 структурных блоков 3 между ребрами.FIG. 16 shows a diagram of the connection of braided
На фиг. 17 показана схема соединения структурных блоков 3 между вершинами.FIG. 17 shows a diagram of the connection of the
На фиг. 18 показана схема соединения структурных блоков 3 между ребрами.FIG. 18 shows a diagram of the connection of the
На фиг. 19 показана схема соединения структурных блоков 3 между плетёными многоугольниками 2.FIG. 19 shows a diagram of the connection of
На фиг. 20 показана схема соединения структурных блоков 3 между ребрами одного структурного блока 3 и вершинами другого структурного блока 3.FIG. 20 shows a diagram of the connection of
На фиг. 21 показана схема соединения структурных блоков 3 между плетёным многоугольником 2 одного структурного блока 3 и ребром другого структурного блока 3.FIG. 21 shows the connection diagram of the
На фиг. 22 показана схема соединения структурных блоков 3 между плетёным многоугольником 2 одного структурного блока 3 и вершиной другого структурного блока 3.FIG. 22 shows a diagram of the connection of
На фиг. 23 показана схема соединения структурных блоков 3 с образованием сферической оболочки из плетёной пространственной конструкции.FIG. 23 shows a diagram of the connection of the
На фиг. 24 показана схема соединения каркасных структурных блоков 3 с образованием каркасной шестерни из плетёной пространственной конструкции.FIG. 24 shows a connection diagram of the skeleton
Вариант осуществления изобретенияAn embodiment of the invention
В патенте описана плетёная пространственная конструкция, которая универсально подходит для конструкций любых форм и размеров без применения дополнительных соединений и крепежных элементов.The patent describes a woven spatial structure that is universally suitable for structures of any shape and size without the use of additional joints and fasteners.
Плетёная пространственная конструкция - система структурных блоков 3 и каркасных структурных блоков 5, каждый из которых сплетён из кривых стержней 1, скрепленных между собой выходящими из них концами 4 кривых стержней 1, с учетом расчета геометрии каждого кривого стержня 1 данной системы.A wicker spatial structure is a system of
Кривой стержень 1 - протяженный элемент, у которого ось, проходящая через центры тяжести поперечных сечений, является кривой (фиг. 6).
Кривые стержни 1 могут быть металлическими и неметаллическими; сплошного сечения (проволока, пруток и т.п.) и не сплошного сечения (трубка и т.п.), криволинейными, описывающими траекторию двумерной или трехмерной кривой.
Плетёный многоугольник 2 - плетёная плоская фигура, выполненная из кривых стержней 1, имеющая форму многоугольника.Braided polygon 2 - a braided flat figure made of
Структурный блок 3 - элементарная трехмерная ячейка плетёной пространственной конструкции, состоит из плетёных многоугольников 2 (фиг. 8), связанных друг с другом в узлах 6 (фиг. 12-16).
Правильные структурные блоки 3 могут иметь формы правильных многогранников (тетраэдр, октаэдр, икосаэдр, гексаэдр, додекаэдр и др.).Regular
Каркасный структурный блок 5 (фиг. 10, 13) - элементарная трехмерная ячейка плетёной пространственной конструкции, состоящая из кривых стержней 1, которые связаны друг с другом в узлах 6 с образованием сторон каркаса. Кривые стержни 1 соединены друг с другом с образованием сторон многоугольников, соединение которых между собой образует каркасный структурный блок 5.Frame structural unit 5 (Fig. 10, 13) is an elementary three-dimensional cell of a wicker spatial structure, consisting of
Структурные блоки 3 подразделяются: на панельные пустотелые (фиг. 9), комбинированные (фиг. 11); панельные связевые (фиг. 12), смешанные (фиг. 14).
Структурный блок 3 пустотелый (фиг. 9) - это структурный блок в форме многогранника, сформированный плетёными многоугольниками 2 в виде его граней. Плетёные многоугольники 2, сплетены из кривых стержней 1. Плетёные многоугольники 2 выполнены в форме в данном случае треугольника. Формирование плетёного многоугольника 2 полного заполнения осуществляют различными способами плетения кривых стержней 1, максимально заполняющих площадь формируемого плетёного многоугольника 2.The
Структурный блок пустотелый комбинированный (фиг. 11) - это структурный блок 3, сформированный из совокупности плетёных многоугольников 2, и кривых стержней 1 в виде сторон многоугольников каркасного структурного блока 5. В данном случае плетёные многоугольники 2 выполнены в форме треугольника.The hollow combined structural block (Fig. 11) is a
Структурный блок связевый панельный (фиг. 12) - это структурный блок, сформированный соединением плетёных многоугольников 2. В данном случае плетёные многоугольники 2 выполнены в форме треугольников, соединенных по двум сторонам 7 и 8. Остальные стороны плетёных многоугольников 2 образуют стороны структурного блока 3.Structural block connected panel (Fig. 12) is a structural block formed by connecting
Структурный блок связевый смешанный (фиг. 14) - структурный блок 3 связевый, сформированный из плетёных многоугольников 2, связевого панельного блока и каркасного структурного блока 5.Structural block connected mixed (Fig. 14) -
При формировании структурных блоков 3 и каркасных структурных блоков 5 применяются комбинации кривых стержней 1 различные по материалу, сечению, толщине в зависимости от их назначения.When forming
Из каждой стороны или плетёного многоугольника 2, которые являются гранями структурных блоков 3 и ребер каркасных структурных блоков 5 выходит как минимум по одному концу 4 кривого стержня 1 (фиг. 8). Они служат для соединения плетёных многоугольников 2 в узлах 6 (фиг. 9) известными способами плетения, скручиванием, завязыванием, загибом и т.п., с соседними вершинами, или ребрами или сторонами или гранями структурных блоков 3 для формирования структурных блоков 3 и каркасных структурных блоков 5.From each side or braided
Далее будет описан один из вариантов осуществления изобретения - создание панельного пустотелого структурного блока 3 кубической формы (фиг. 8). В качестве строительного элемента применяется кривой стержень 1.Next will be described one of the embodiments of the invention - the creation of a panel hollow
Перед тем как выполнять структурный блок 3 проводят математический расчет методами на принципе тангенциального хода конечной формы кривого стержня 1 после его изгиба.Before performing the
Геометрическое моделирование кривых стержней 1 может быть основано на известных и применяемых в практике проектирования методах, таких как методы на принципе тангенциального хода, методы «свободной геометрии» с использованием теорий сплайнов.Geometric modeling of
Принцип тангенциального хода заключается в том, что в трехмерном пространстве через набор координат точек проводится ломаная линия. Затем в ее изломы вписывают круговые кривые или круговые кривые, сопряженные с прямыми вставками - переходными кривыми, например клотоидными. Отрезки прямых представляют собой касательные к кривым, т.е. ломаная представляет собой тангенциальный ход. Ошибки, возможные при вписывании тех или иных кривых, не оказывают влияния на достоверность расчетов последующих кривых. Закругления, представленные круговыми кривыми с переходными кривыми могут быть симметричными (при равной длине входной и выходной кривой), несимметричными (если длины входной и выходной переходной не равны между собой), биклотоидой (если отсутствует круговая вставка между круговыми кривыми) симметричной и несимметричной соответственно.The principle of tangential traverse is that a polyline is drawn in three-dimensional space through a set of coordinates of points. Then, circular curves or circular curves conjugated with straight inserts - transition curves, for example, clothoid ones, are inscribed into its kinks. Line segments are tangent to curves, i.e. the broken line is a tangential path. Errors possible when entering certain curves do not affect the reliability of the calculations of subsequent curves. The roundings represented by circular curves with transition curves can be symmetrical (with equal lengths of the input and output curves), asymmetric (if the input and output transition lengths are not equal), biclotoid (if there is no circular insertion between the circular curves) symmetric and asymmetric, respectively.
Перспективными геометрическими элементами для проектирования закруглений кривых в составе тангенциального хода являются кривые Безье. Кривые Безье являются в общем случае пространственными функциями и способны обеспечивать пространственное моделирование кривых стержней.Bezier curves are promising geometric elements for designing curved curves as part of a tangential traverse. Bézier curves are generally spatial functions and are capable of providing spatial modeling of curved members.
Формула Безье для кубического многочлена (n=3) имеет следующий вид:The Bezier formula for a cubic polynomial (n = 3) is as follows:
Пусть i=0, 1, 2, 3, тогда для 0<t<1Let i = 0, 1, 2, 3, then for 0 <t <1
Помимо кривой Безье третьего порядка (кубической) для проектирования закруглений кривых стержней возможно применение кривых Безье второго, четвертого и пятого порядков.In addition to the third-order (cubic) Bezier curve, you can use second, fourth, and fifth-order Bezier curves to design rounding of curved bars.
Построение кривой Безье опирается на характеристическую ломаную, которая предопределяет ее свойства:The construction of a Bezier curve is based on a characteristic polyline, which predetermines its properties:
- кривая Безье является гладкой кривой;- a Bezier curve is a smooth curve;
- касательные в начале и в конце кривой совпадают по направлению с первым и последним отрезками ломаной;- tangents at the beginning and at the end of the curve coincide in direction with the first and last segments of the polyline;
- кривая Безье лежит в выпуклой оболочке, порожденной массивом точек (опорных вершин) ломаной;- the Bezier curve lies in the convex hull generated by the array of points (support vertices) of the polyline;
- кривая симметрична (сохраняет свою форму при перемене порядка вершин ломаной);- the curve is symmetric (retains its shape when the order of the polyline vertices is changed);
- в случае если вершины ломаной лежат в одной плоскости, то кривая лежит в этой же плоскости;- if the vertices of the polyline lie in the same plane, then the curve lies in the same plane;
- степень функциональных коэффициентов кривой на единицу меньше количества вершин ломаной;- the degree of the functional coefficients of the curve is one less than the number of vertices of the polyline;
- изменение положения хотя бы одной из вершин ломаной ведет к изменению очертаний кривой Безье.- changing the position of at least one of the vertices of the polyline leads to a change in the outlines of the Bezier curve.
Кривые стержни в составе структурного блока представляют собой нитевидные объекты, изогнутые в трехмерном пространстве. Математическая модель кривого стержня в пространстве представляет собой сплайн.Curved rods in a structural block are threadlike objects bent in three-dimensional space. The mathematical model of a curved bar in space is a spline.
В условиях автоматизированного проектирования для формализованного представления информации о кривом стержне в числовом или аналитическом виде встает вопрос о выборе подходящих интерполирующих и аппроксимирующих функций. Наиболее подходящими функциями для этого являются сплайны как универсальный математический аппарат для описания, хранения, преобразования, анализа и представления геометрических форм элементов.In the context of computer-aided design for the formalized representation of information about a curved rod in a numerical or analytical form, the question arises of the choice of suitable interpolating and approximating functions. The most suitable functions for this are splines as a universal mathematical apparatus for describing, storing, transforming, analyzing and representing the geometric shapes of elements.
Физической моделью, называемой механической аналогией сплайна, является многоопорная балка, не испытывающая внешней нагрузки, а деформации которой вызваны внутренними реакциями на заданные реакции опор в фиксированные узлы. Математически данная модель описывается дифференциальным уравнением деформации балки и является многоточечной краевой задачей, для решения которой применяются сеточные методы, в результате которых получаются решения в виде сплайнов.A physical model, called the mechanical analogy of a spline, is a multi-support beam that does not undergo an external load, and whose deformations are caused by internal reactions to the given reactions of the supports to fixed nodes. Mathematically, this model is described by the differential equation of the deformation of the beam and is a multi-point boundary value problem, for the solution of which grid methods are used, as a result of which solutions are obtained in the form of splines.
Сплайны имеют хорошие аппроксимативные свойства и в то же время просты и удобны для построения на ЭВМ вычислительных алгоритмов, полученных на их основе. При этом алгоритмы построения сплайнов совпадают с алгоритмом метода конечных элементов, который является основным промышленным методом прочностного анализа в системах автоматизированного проектирования.Splines have good approximation properties and at the same time are simple and convenient for constructing on a computer computational algorithms derived from them. In this case, the algorithms for constructing splines coincide with the algorithm of the finite element method, which is the main industrial method of strength analysis in computer-aided design systems.
Из всего многообразия сплайнов алгебраические сплайны первой и третьей степеней - интерполяционные и сглаживающие, наиболее экономичны с вычислительной точки зрения и обладают достаточными свойствами аппроксимации и гладкости.Of all the variety of splines, algebraic splines of the first and third degrees - interpolation and smoothing, are the most economical from a computational point of view and have sufficient approximation and smoothness properties.
Сплайны первой степени (линейные) служат, во-первых, хорошей и доступной иллюстрацией к пониманию процессов построения сплайновых алгоритмов, а во-вторых, достаточны для описания геометрических элементов конструкции, представляемых в виде ломаных линий.First degree (linear) splines serve, firstly, a good and accessible illustration for understanding the processes of constructing spline algorithms, and secondly, they are sufficient for describing geometric structural elements represented in the form of broken lines.
Построению гладких кривых служат сплайны третьей степени (кубические), которые вместе со своими первой и второй производными несут проектировщику необходимую количественную и качественную информацию о проектируемой кривой.Smooth curves are constructed using third-degree (cubic) splines, which, together with their first and second derivatives, provide the designer with the necessary quantitative and qualitative information about the projected curve.
Сплайны можно определить двумя способами:Splines can be defined in two ways:
Первый сеточный метод: исходя из взаимного согласования простых функций (многочленов невысокой степени);The first grid method: based on the mutual agreement of simple functions (polynomials of low degree);
Второй сеточный метод: из решения минимизации.Second grid method: from the minimization solution.
К сплайнам, определяемым по первому способу, можно отнести интерполяционные сплайны, которые необходимы для аналитического представления дискретно заданной информации.The splines determined by the first method include interpolation splines, which are necessary for the analytical representation of discretely given information.
Сглаживающие сплайны определяют чаще на основе второго способа. Именно сглаживающие сплайны находят самое широкое применение для оптимизации тех проектных решений, которые на начальной стадии рассмотрения носят, как правило, приближенный характер.Smoothing splines are defined more often on the basis of the second method. It is smoothing splines that are most widely used to optimize those design solutions that, at the initial stage of consideration, are, as a rule, approximate.
Интерполяция кубическими сплайнами может использоваться для получения элемента конструкции, а также применяться для разработки форм объектов (конструкций). Кубические сплайны предлагают разумный компромисс между гибкостью и скоростью вычислений. По сравнению с полиномами более высоких порядков кубические сплайны требуют меньше расчетов и памяти, они более устойчивы. Полиномы высших порядков могут не обеспечивать достаточной точности. Параметрические кубические кривые - это кривые самого низкого порядка, которые могут занимать произвольное положение (не лежать на плоскости) в трехмерном пространстве.Cubic spline interpolation can be used to obtain a structural element, and can also be used to design the shapes of objects (structures). Cubic splines offer a reasonable trade-off between flexibility and computational speed. Compared to polynomials of higher orders, cubic splines require less calculations and memory, they are more stable. Higher order polynomials may not be accurate enough. Parametric cubic curves are curves of the lowest order that can take an arbitrary position (not on a plane) in three-dimensional space.
Построение кубических сплайнов сводится к решению системы линейных уравнений с диагональной матрицей, имеющей доминирующую главную диагональ. Решение таких систем легко реализуется численно.The construction of cubic splines is reduced to solving a system of linear equations with a diagonal matrix with a dominant main diagonal. The solution of such systems is easily implemented numerically.
Чтобы интерполировать заданный набор контрольных точек кубическими сплайнами, по входным данным подбирается кусочно-кубическая полиномиальная кривая, проходящая через все контрольные точки.To interpolate a given set of control points with cubic splines, a piecewise cubic polynomial curve passing through all control points is fitted from the input data.
Пусть даны n+1 контрольные точки, заданные координатами.Let n + 1 control points given by coordinates be given.
Параметрический кубический полином, связывающий каждую пару контрольных точек, описывается системой уравнений:The parametric cubic polynomial connecting each pair of control points is described by the system of equations:
а три производные задают координаты соответствующего касательного вектора в точке.and the three derivatives define the coordinates of the corresponding tangent vector at the point.
Например, для координаты х:For example, for the x coordinate:
Задача построения полинома сводится к нахождению четырех коэффициентов для каждого из n участков кривой, при этом общее количество искомых коэффициентов полиномов будет 4n. Для этого задается достаточное число граничных условий в контрольных точках между участками кривой, на основе которых находятся численные значения всех коэффициентов.The problem of constructing a polynomial is reduced to finding four coefficients for each of the n sections of the curve, while the total number of the required coefficients of the polynomials will be 4n. For this, a sufficient number of boundary conditions are set at the control points between the sections of the curve, on the basis of which the numerical values of all coefficients are found.
Существует много способов задания параметрического сплайна. Это естественные кубические, эрмитовы, фундаментальные сплайны, сплайны Коханена-Бартелса, сплайны в форме Безье и β-сплайны и др.There are many ways to define a parametric spline. These are natural cubic, Hermitian, fundamental splines, Cohanen-Bartels splines, Bezier splines and β-splines, etc.
Сплайн состоит из фрагментов одинакового вида, однако существуют комбинированные сплайны, состоящие из фрагментов различных сплайнов. Помимо фрагментов сплайнов в виде алгебраических полиномов могут быть использованы экспоненциальные сплайны, сплайны переменной жесткости, описанные в работах Снигирева В.Ф. и Павленко А.П., тригонометрические и рациональные сплайны.A spline consists of fragments of the same type, however, there are combined splines, consisting of fragments of different splines. In addition to fragments of splines in the form of algebraic polynomials, exponential splines, splines of variable stiffness described in the works of V.F. Snigirev can be used. and Pavlenko A.P., trigonometric and rational splines.
Целесообразность применения фрагментов определенного вида основана на конкретных условиях задачи и ограничениях реализации. Основное требование - это достижение заданной точности интерполяции при приемлемых затратах времени и ресурсов на реализацию.The expediency of using fragments of a certain type is based on the specific conditions of the problem and implementation constraints. The main requirement is to achieve a given interpolation accuracy with an acceptable investment of time and resources for implementation.
Известно, что интерполяционные сплайны не являются математическим аппаратом оптимального моделирования, а лишь удобным инструментом компьютерной обработки эскизно назначенных проектных решений. Таким образом, постановка задачи моделирования на основе сплайнов должна предполагать следующее: вершины интерполяции эскизной кривой кривого стержня назначают приближенно (с допуском) и точнее их местоположение нужно будет вычислить по определенным закономерностям.It is known that interpolation splines are not a mathematical apparatus for optimal modeling, but only a convenient tool for computer processing of sketched design solutions. Thus, the formulation of the spline-based modeling problem should assume the following: the interpolation vertices of the sketch curve of the curved bar are assigned approximately (with a tolerance) and, more precisely, their location will need to be calculated according to certain patterns.
В качестве математического аппарата для решения задачи генерации геометрической формы по их грубым (приближенным) описаниям необходимо рассмотреть применение сглаживающих сплайнов, которые минимизируют функционал И.Я. Шенберга:As a mathematical apparatus for solving the problem of generating a geometric shape from their rough (approximate) descriptions, it is necessary to consider the use of smoothing splines that minimize the functional of I.Ya. Schoenberg:
S (х) - сплайн; S (x) - spline;
где q = 1, 2;where q = 1, 2;
pi - весовой коэффициент узла интерполяции;p i is the weighting factor of the interpolation node;
f0(xi) - функция начального приближения.f 0 (x i ) - initial approximation function.
Ограничения могут быть по допустимому радиусу, направлению кривой, уклону в продольном профиле и т.д. При этом для сплайнов третьей степени (q=2) должны быть добавлены краевые условия в точках х0=а, xn=b, обеспечивающие единственность построения сплайна. Это могут быть условия заданного начального и конечного направления проектируемого участка кривой S'(x a ), S'(xb).Restrictions can be on the permissible radius, the direction of the curve, the slope in the longitudinal profile, etc. In this case, for splines of the third degree (q = 2), boundary conditions must be added at the points x 0 = a , x n = b, ensuring the uniqueness of the construction of the spline. These can be conditions of a given initial and final direction of the projected section of the curve S '(x a ), S' (x b ).
Вышеприведенный функционал хорошо моделирует задачу построения кривой, которая состоит в том, чтобы добиться минимального отклонения проектируемой кривой от существующего (первоначального) эскиза, при одновременных условиях по уклону и кривизне в продольном профиле и по кривизне и скорости нарастания кривизны. Минимальное отклонение достигается за счет второго слагаемого функционала, а условие по кривизне - за счет первого слагаемого.The above functionality well simulates the task of constructing a curve, which consists in achieving the minimum deviation of the projected curve from the existing (original) sketch, with simultaneous conditions for the slope and curvature in the longitudinal profile and for the curvature and rate of increase in curvature. The minimum deviation is achieved due to the second term of the functional, and the curvature condition - due to the first term.
Вычисление сглаживающих сплайнов первой и третьей степени осуществляют покоординатного спуска, методом штрафных функций.Calculation of smoothing splines of the first and third degree is carried out by coordinate descent, by the method of penalty functions.
Трехмерное векторное представление точек на кривой относительно осей X, Y, Z математически описывается совокупностью параметрических сплайнов:A three-dimensional vector representation of points on a curve with respect to the X, Y, Z axes is mathematically described by a set of parametric splines:
где параметр - текущая длина кривой. Значение параметра задает координатный вектор точки на кривой.where parameter is the current length of the curve. Parameter value specifies the coordinate vector of a point on the curve.
Форма плоской кривой определяется функцией ее кривизны, форма пространственной кривой однозначно определяется совокупностью двух функций: кривизны и кручения.The shape of a plane curve is determined by the function of its curvature, the shape of a space curve is uniquely determined by the combination of two functions: curvature and torsion.
Кривизна (r) и радиус кривизны (R=1/r) пространственной кривой имеют тот же геометрический смысл, что и для плоской кривой, но вычисляются по более сложной зависимости:Curvature (r) and radius of curvature (R = 1 / r) of a spatial curve have the same geometric meaning as for a plane curve, but are calculated using a more complex relationship:
S(х) - сплайн; S (x) - spline;
где q = 1, 2;where q = 1, 2;
pi - весовой коэффициент узла интерполяцииp i - weighting factor of the interpolation node
f0(xi) - функция начального приближения.f 0 (x i ) - initial approximation function.
Ограничения могут быть по допустимому радиусу, направлению кривой, уклону в продольном профиле и т.д. При этом для сплайнов третьей степени (q=2) должны быть добавлены краевые условия в точках х0=а, xn=b, обеспечивающие единственность построения сплайна. Это могут быть условия заданного начального и конечного направления проектируемого участка кривой S'(x a ), S'(xb).Restrictions can be on the allowable radius, the direction of the curve, the slope in the longitudinal profile, etc. In this case, for splines of the third degree (q = 2), boundary conditions must be added at the points x 0 = a , x n = b, ensuring the uniqueness of the construction of the spline. These can be conditions of a given initial and final direction of the projected section of the curve S '(x a ), S' (x b ).
Вышеприведенный функционал хорошо моделирует задачу построения кривой, которая состоит в том, чтобы добиться минимального отклонения проектируемой кривой от существующего (первоначального) эскиза, при одновременных условиях по уклону и кривизне в продольном профиле и по кривизне и скорости нарастания кривизны. Минимальное отклонение достигается за счет второго слагаемого функционала, а условие по кривизне - за счет первого слагаемого.The above functionality well simulates the task of constructing a curve, which consists in achieving the minimum deviation of the projected curve from the existing (original) sketch, with simultaneous conditions for the slope and curvature in the longitudinal profile and for the curvature and rate of increase in curvature. The minimum deviation is achieved due to the second term of the functional, and the curvature condition - due to the first term.
Вычисление сглаживающих сплайнов первой и третьей степени осуществляют покоординатного спуска, методом штрафных функций.Calculation of smoothing splines of the first and third degree is carried out by coordinate descent, by the method of penalty functions.
Трехмерное векторное представление точек на кривой относительно осей X, Y, Z математически описывается совокупностью параметрических сплайнов:A three-dimensional vector representation of points on a curve with respect to the X, Y, Z axes is mathematically described by a set of parametric splines:
где параметр - текущая длина кривой. Значение параметра задает координатный вектор точки на кривой.where parameter is the current length of the curve. Parameter value specifies the coordinate vector of a point on the curve.
Форма плоской кривой определяется функцией ее кривизны, форма пространственной кривой однозначно определяется совокупностью двух функций: кривизны и кручения.The shape of a plane curve is determined by the function of its curvature, the shape of a space curve is uniquely determined by the combination of two functions: curvature and torsion.
Кривизна (r) и радиус кривизны (R=1/r) пространственной кривой имеют тот же геометрический смысл, что и для плоской кривой, но вычисляются по более сложной зависимости:Curvature (r) and radius of curvature (R = 1 / r) of a spatial curve have the same geometric meaning as for a plane curve, but are calculated using a more complex relationship:
где х', х" - первая и вторая производная х по l.where x ', x "are the first and second derivatives of x with respect to l.
Кручение (Т) пространственной кривой в точке соприкосновения определяется по формуле:The torsion (T) of the space curve at the point of contact is determined by the formula:
Пространственное моделирование кривых можно выполнять на основе тангенциального хода с вписанными закруглениями в виде кривых Безье. Опорные точки характеристической ломаной Безье (тангенциального хода), в общем случае, задаются точками трехмерного пространства Pi(xi, yi, xi), i=0, 1, …, m. Тогда пространственную кривую Безье определяют уравнением:Spatial modeling of curves can be performed on the basis of tangential traverse with inscribed rounds in the form of Bezier curves. The reference points of the characteristic Bezier polyline (tangential path), in the general case, are specified by the points of the three-dimensional space P i (x i , y i , x i ), i = 0, 1,…, m. Then the spatial Bezier curve is determined by the equation:
- многочлены Бернштейна. Матричная запись параметрических уравнений, описывающих пространственную кривую Безье: are Bernstein polynomials. Matrix notation of parametric equations describing the spatial Bezier curve:
В случае, если промежуток измерения параметра произволен, а≤t≤b, уравнение кривой Безье имеет следующий вид:If the measurement interval of the parameter is arbitrary, and≤t≤b, the Bezier curve equation has the following form:
Полученным представлением пользуются при задании единой параметризации составной кривой Безье как целого:The resulting representation is used when specifying a single parameterization of the composite Bezier curve as a whole:
R=R(t),t0≤t≤ti, гдеR = R (t), t 0 ≤t≤t i , where
R=R(i)(t), ti-1≤t≤ti, i=1, 2, …, l - параметрическое векторное уравнение-й элементарной кривой Безье.R = R (i) (t), t i-1 ≤t≤t i , i = 1, 2,…, l - parametric vector equation of the th elementary Bezier curve.
Таким образом, параметрические сплайны и кривые Безье позволяют осуществлять математическое моделирование кривого стержня в пространстве.Thus, parametric splines and Bezier curves allow mathematical modeling of a curved bar in space.
Пример геометрического моделирования участка кривого стержня. Для получения аналитического выражения, описывающего участок кривого стержня, используем фундаментальные сплайны.An example of geometric modeling of a section of a curved bar. To obtain an analytical expression describing a section of a curved bar, we use fundamental splines.
Фундаментальные сплайны - это интерполирующие кусочно-кубические полиномы с заданными касательными в конечных точках. При этом значения касательных в конечных точках вводить не нужно. Постановка задачи:Fundamental splines are interpolating piecewise cubic polynomials with specified tangents at the endpoints. However, you do not need to enter tangent values at the endpoints. Formulation of the problem:
Предположим, что даны n+1 контрольных точек, заданных координатами:Suppose given n + 1 control points given by coordinates:
Необходимо определить значения четырех коэффициентов для каждого из n участков кривой. Для этого задается достаточное количество граничных условий в контрольных точках между участками кривой, на основе которых находятся численные значения всех коэффициентов.It is necessary to determine the values of four coefficients for each of the n sections of the curve. For this, a sufficient number of boundary conditions are set at the control points between the sections of the curve, on the basis of which the numerical values of all coefficients are found.
Участок фундаментального сплайна r(t) плоскостью задается положениями четырех последовательных контрольных точек. Две средние контрольные точки pk и pk+1 являются конечными точками участка, другие две pk-1 и pk+2 используются при расчете касательных в конечных точках (на фиг. 1). Касательные векторы в конечных точках параллельны хордам и (на фиг. 2)The section of the fundamental spline r (t) by the plane is specified by the positions of four successive control points. The two middle control points p k and p k + 1 are the end points of the section, the other two p k-1 and p k + 2 are used when calculating the tangents at the end points (in Fig. 1). The tangent vectors at the endpoints are parallel to the chords and (in fig. 2)
Пусть даны:Let given:
где и I - производные по параметру (наклон кривой) в контрольных точках pk и pk+1 соответственно.where and I - derivatives with respect to the parameter (slope of the curve) at the control points p k and p k + 1, respectively.
Запишем вид функций r(t) и r'(t) в матричном виде:Let us write the form of the functions r (t) and r '(t) in matrix form:
Подставив вместо параметра t значения конечных точек tk и tk+1, фундаментальные граничные условия можно выразить в матричной форме: Substituting the values of the end points t k and t k + 1 instead of the parameter t, the fundamental boundary conditions can be expressed in matrix form:
Решая это уравнение относительно коэффициентов полиномов, при tk=0 и tk+1=1, получаем:Solving this equation for the coefficients of the polynomials, for t k = 0 and t k + 1 = 1, we obtain:
Получаем полиномиальную форму:We get the polynomial form:
Пусть даны четыре контрольные точки, заданные с координатами:Let there be given four control points, given with coordinates:
p0=(x0, y0, z0), p1=(x1, y1, z1), p2=(x2, y2, z2), р3=(x3, y3, z3). Интерполируем заданный набор контрольных точек фундаментальными сплайнами.p 0 = (x 0 , y 0 , z 0 ), p 1 = (x 1 , y 1 , z 1 ), p 2 = (x 2 , y 2 , z 2 ), р 3 = (x 3 , y 3 , z 3 ). We interpolate a given set of control points with fundamental splines.
Параметрический кубический полином, описывающий фундаментальный сплайн, связывающий каждую пару контрольных точек при u=0 (s=0,5) имеет вид:The parametric cubic polynomial describing the fundamental spline connecting each pair of control points at u = 0 (s = 0.5) has the form:
Решением полученной системы уравнений на участке ограниченном контрольными точками pk+1 и pk являются координаты точек, приведенных в таблице 1.The solution of the resulting system of equations in the area bounded by the control points p k + 1 and p k are the coordinates of the points given in table 1.
По значениям координат в таблице 1 был построен график кривой на участке, ограниченном контрольными точками pk+1 и pk, приведенный на фиг. 3. Эта кривая соответствует изгибу кривого стержня на конкретном участке в плоскости OXZ.From the values of the coordinates in Table 1, a curve was plotted in the area bounded by the control points p k + 1 and p k , shown in FIG. 3. This curve corresponds to the bending of a curved bar at a specific section in the OXZ plane.
Решением полученной системы уравнений на участке ограниченном контрольными точками pk и pk-1 являются координаты точек, приведенных в таблице 2.The solution of the resulting system of equations in the area bounded by the control points p k and p k-1 are the coordinates of the points given in table 2.
По значениям координат в таблице 2 был построен график кривой на участке, ограниченном контрольными точками pk и pk-1, приведенный на фиг. 4. Эта кривая соответствует изгибу кривого стержня 1 на конкретном участке в плоскости OYZ.From the values of the coordinates in Table 2, a curve was plotted in the area bounded by the control points p k and p k-1 , shown in FIG. 4. This curve corresponds to the bending of the
В результате расчетов получают решение в виде сплайна, который является математической моделью кривого стержня 1. Кривой стержень 1, изогнутый в соответствии с расчетом, представляет собой изогнутую в трехмерном пространстве проволоку (фиг. 6).As a result of calculations, a solution is obtained in the form of a spline, which is a mathematical model of a
По рассчитанной математической модели кривого стержня 1 проволоке придают рассчитанную изогнутую в пространстве форму, показанную в проекциях OXY, OXZ, OYZ на фиг. 5.According to the calculated mathematical model of the
На фиг. 6 показан кривой стержень 1, изогнутый в трехмерном пространстве по кривой, представляющей собой интерполяцию третьего порядка, проходящую через заданные рассчитанные координаты. В данном случае формирование кривого стержня 1 в пространстве осуществляют изгибом проволоки. Изображенный вариант изогнутого кривого стержня 1, не является единственно возможным, а является одним из многочисленных вариантов изгиба.FIG. 6 shows a
Кривые стержни 1 соединяют между собой путем переплетения, в результате чего образуется плетёный многоугольник 2 структурного блока 3. Плетёный многоугольник 2 на фиг. 7 представлен в виде четырехугольника и не является единственно возможной формой многоугольника, а одним из многочисленных вариантов. Эти варианты подробно не рассматриваются.
Плетёные многоугольники 2 соединяют между собой связанными концами 4 (фиг. 8) кривых стержней 1 в узлах 6 (фиг. 9) с образованием многогранника в виде структурного блока 3. Структурный блок 3 состоит из плетёных многоугольников 2, в виде граней, каждая из которых лежит в своей плоскости как показано на фиг. 8, 9.
Соединение плетёных многоугольников 2 структурного блока 3, осуществляют связыванием узлов 6 по рассчитанным изогнутым формам концов 4 кривых стержней 1. Соединение между собой всех плетёных многоугольников 2 концами 4 кривых стержней 1 образуют структурный блок 3.The connection of the
Таким образом, уравновешиваются силы взаимодействия кривых стержней 1 внутри структурного блока 3 между собой. Структурный блок 3 - элементарная трехмерная плетёная ячейка плетёной пространственной конструкции.Thus, the forces of interaction of the
Представление структурных блоков 3 плетёной пространственной конструкции в виде многогранника обеспечивает минимизацию вычислительных ресурсов ЭВМ, упрощение представления структурного блока 3 при дальнейшем проектировании плетёной пространственной конструкции.The representation of the
Построение структурного блока 3 выполняют в следующей последовательности:
1. Определяют размер, форму, тип и назначение структурного блока 3;1. Determine the size, shape, type and purpose of the
2. Определяют форму каждого плетёного многоугольника 2 рассматриваемого структурного блока 3.2. Determine the shape of each
3. Определяют кривые стержни 1 для построения плетёного многоугольника 2 структурного блока 3.3. Determine the
4. Рассчитывают математическую модель каждого кривого стержня 1.4. Calculate the mathematical model of each
5. Строят плетёный многоугольник 2 структурного блока 3 путем сочленения кривых стержней 1.5. Build a
6. Формируют структурный блок 3 соединением плетёных многоугольников 2, путем связывания в узлах 6 концами кривых стержней 1, выходящими из вершин плетёных многоугольников (фиг. 15), или концами кривых стержней 1, выходящими из сторон плетёных многоугольников (фиг. 16). Связывание концов кривых стержней 1, выходящих из соединяемых плетёных многоугольников 2 в виде граней, проводят по рассчитанной математической модели.6. A
Как показано на фиг. 17, соединение структурных блоков 3 в узлах 6 можно осуществлять скручиванием, или переплетением, или связыванием концов кривых стержней 1, выходящих из вершин структурных блоков 3.As shown in FIG. 17, the connection of the
Как показано на фиг. 18, соединение структурных блоков 3 в узлах 6 можно осуществлять скручиванием, или переплетением, или связыванием концов 4 кривых стержней 1 (фиг. 8), выходящих из ребер структурных блоков 3.As shown in FIG. 18, the connection of the
Как показано на фиг. 19, соединение структурных блоков 3 в узлах 6 можно осуществлять скручиванием, или переплетением, или связыванием концов 4 кривых стержней 1 (фиг. 8), выходящих из сопрягаемых плетёных многоугольников 2 структурных блоков 3.As shown in FIG. 19, the connection of the
Соединение структурных блоков 3 в узлах 6 можно осуществлять скручиванием, или переплетением, или связыванием концов 4 кривых стержней 1, выходящих из сопрягаемых ребер одного структурного блока 3 с вершинами другого структурного блока 3 (фиг. 20); связыванием концов 4 кривых стержней 1, выходящих из сопрягаемых плетёного многоугольника 2 одного структурного блока 3 и ребра другого структурного блока 3 (фиг. 21); связыванием концов 4 кривых стержней 1, выходящих из сопрягаемых плетёного многоугольника 2 одного структурного блока 3 и вершины другого структурного блока 3 (фиг. 22).The connection of the
Перечисленные соединения осуществляют плетением по рассчитанным математическим моделям концов 4 кривых стержней 1, выходящих из структурных блоков 3.The listed connections are carried out by weaving according to the calculated mathematical models of the ends of 4
Здесь были рассмотрены способы соединения структурных блоков 3. Варианты соединения между собой каркасных структурных блоков 5 и соединения их со структурными блоками 3 основываются на тех же принципах.Methods of connecting the
На фиг. 23 показана плетёная пространственная конструкция в виде сферической оболочки из комбинированных структурных блоков. На фиг. 24 показана схема плетёной пространственной конструкции в виде шестерни из каркасных структурных блоков 5. Эти примеры не являются единственно возможными, а одними из многочисленных вариантов исполнения.FIG. 23 shows a woven spatial structure in the form of a spherical shell of combined structural blocks. FIG. 24 shows a schematic diagram of a wicker spatial structure in the form of a gear made of frame
Формирование плетёных пространственных конструкций осуществляют соединением структурных блоков 3 и каркасных структурных блоков 5 таким образом, чтобы концы кривых стержней 1, выходящих из соединяемых между собой блоков 3 и 5, были изогнуты и сочленены между собой по их рассчитанным математическим моделям.The formation of wicker spatial structures is carried out by connecting
Плетёная пространственная конструкция может быть использована в производстве конструкций без применения дополнительных крепежных элементов. Строительный материал подают на место сборки конструкции в виде линейных материалов, таких как канат или проволока с бобины. Линейные материалы отрезают на линейные элементы необходимой длины. Из отрезанных линейных элементов формируют кривые стержни 1, затем плетут плетёные многоугольники 2 структурного блока 3 и стороны каркасного структурного блока 5. Плетёные многоугольники 2 соединяют между собой плетением концов 4 кривых стержней 1, выходящих из многоугольников 2, структурного блока 3, или сторон каркасного структурного блока 5. Изготовленные структурные блоки 3 и каркасные структурные блоки 5 соединяют между собой плетением концов 4 кривых стержней 1, выходящих из блоков 3 и 5.The woven spatial structure can be used in the production of structures without the use of additional fasteners. The building material is supplied to the assembly site in the form of linear materials such as rope or wire from a reel. Linear materials are cut into linear elements of the required length.
Дополнительно к указанному техническому результату при изготовлении плетёной пространственной конструкции исключаются сварочные, клеевые и другие конструктивные соединения. Это удешевляет производство конструкций, и дает возможность Доставки строительного материала и создания конструкций любого размера в труднодоступных местах, таких как подземных, подводных, на большой высоте или при отсутствии земной атмосферы.In addition to the specified technical result, welding, glue and other structural joints are excluded in the manufacture of a wicker spatial structure. This makes the production of structures cheaper, and makes it possible to deliver building material and create structures of any size in hard-to-reach places, such as underground, underwater, at high altitudes or in the absence of the earth's atmosphere.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Данное техническое решение может быть применено в бытовых и промышленных целях как способ формообразования конструкций, являющийся альтернативой литью, точению, формованию, аддитивным технологиям (трехмерная печать конструкций) и другим известным технологиям. Данная технология позволяет создавать функциональные конструкции широкого спектра применения.This technical solution can be used for domestic and industrial purposes as a method of forming structures, which is an alternative to casting, turning, molding, additive technologies (three-dimensional printing of structures) and other known technologies. This technology makes it possible to create functional structures for a wide range of applications.
Предлагаемое техническое решение может быть применено в конструкциях, к которым предъявляют высокие требования по независимости целостности структуры конструкции от целостности единичного элемента, упрощение и удешевление изготовления и доставки единичных элементов к месту сборки конструкции, также там, где в структуре конструкции присутствует необходимость соединения единичных элементов структуры конструкции из разнородных материалов при отсутствии элементов крепления.The proposed technical solution can be applied in structures that are subject to high requirements for the independence of the integrity of the structure of the structure from the integrity of a single element, simplification and cheapening of the manufacture and delivery of single elements to the place of assembly of the structure, also where there is a need to connect single structural elements in the structure of the structure. structures made of dissimilar materials in the absence of fastening elements.
В целом, рассмотренный вариант выполнения изобретения может быть реализован на существующем в настоящее время оборудовании с использованием имеющихся материалов. Это показывает его работоспособность и подтверждает промышленную применимость.In general, the discussed embodiment of the invention can be implemented on existing equipment using existing materials. This shows its performance and confirms its industrial applicability.
Claims (12)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020128344A RU2753557C1 (en) | 2020-08-24 | 2020-08-24 | Lyamin's woven spatial structure (variants) |
PCT/RU2021/000344 WO2022045928A1 (en) | 2020-08-24 | 2021-08-10 | Lyamin woven space structure (variants) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020128344A RU2753557C1 (en) | 2020-08-24 | 2020-08-24 | Lyamin's woven spatial structure (variants) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2753557C1 true RU2753557C1 (en) | 2021-08-17 |
Family
ID=77349024
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020128344A RU2753557C1 (en) | 2020-08-24 | 2020-08-24 | Lyamin's woven spatial structure (variants) |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2753557C1 (en) |
WO (1) | WO2022045928A1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5505035A (en) * | 1992-06-24 | 1996-04-09 | Lalvani; Haresh | Building systems with non-regular polyhedral nodes |
RU2446773C2 (en) * | 2007-06-21 | 2012-04-10 | ЭйДжиЭй МЕДИКАЛ КОРПОРЕЙШН | Multilayered woven constructions for occlusion of vascular defects |
US20130167462A1 (en) * | 2008-08-15 | 2013-07-04 | Sigma-Tek, Llc | Lattice support structures |
US20130180184A1 (en) * | 2012-01-17 | 2013-07-18 | James L. CHEH | Method for forming a double-curved structure and double-curved structure formed using the same |
RU2508175C2 (en) * | 2008-12-30 | 2014-02-27 | Кизельштайн Гмбх | Light 3d wire structure and method of its fabrication |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AT506697B1 (en) * | 2008-06-24 | 2009-11-15 | Rfr S A S | STRUCTURE FOR CURVED LEGGING GEOMETRIES |
-
2020
- 2020-08-24 RU RU2020128344A patent/RU2753557C1/en active
-
2021
- 2021-08-10 WO PCT/RU2021/000344 patent/WO2022045928A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5505035A (en) * | 1992-06-24 | 1996-04-09 | Lalvani; Haresh | Building systems with non-regular polyhedral nodes |
RU2446773C2 (en) * | 2007-06-21 | 2012-04-10 | ЭйДжиЭй МЕДИКАЛ КОРПОРЕЙШН | Multilayered woven constructions for occlusion of vascular defects |
US20130167462A1 (en) * | 2008-08-15 | 2013-07-04 | Sigma-Tek, Llc | Lattice support structures |
RU2508175C2 (en) * | 2008-12-30 | 2014-02-27 | Кизельштайн Гмбх | Light 3d wire structure and method of its fabrication |
US20130180184A1 (en) * | 2012-01-17 | 2013-07-18 | James L. CHEH | Method for forming a double-curved structure and double-curved structure formed using the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2022045928A9 (en) | 2022-03-31 |
WO2022045928A1 (en) | 2022-03-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Schling | Design and construction of curved support structures with repetitive parameters | |
US8831913B2 (en) | Method of design optimisation | |
Akbarzadeh | 3D graphical statics using reciprocal polyhedral diagrams | |
Thompson et al. | Structured and unstructured grid generation | |
Wang et al. | Parametric modeling method for truss structures | |
WO2007119065A2 (en) | Data processing method and system | |
Roovers et al. | Digital design of deployable scissor grids based on circle packing | |
RU2753557C1 (en) | Lyamin's woven spatial structure (variants) | |
Pottmann et al. | Contributions to motion based surface design | |
Chittawadigi et al. | An analytical method to detect collision between cylinders using dual number algebra | |
Godthelp et al. | The timber Reciprocal Frame Designer: free form design to production | |
Lu et al. | An algorithm for plane-surface intersection and its application to shipbuilding | |
Hsu et al. | Corner blending of free-form N-sided holes | |
US7174645B2 (en) | Method for designing of aproximate elliptical structure and the same | |
Roig et al. | Integrating design tools for elastic timber gridshells | |
Sakai et al. | Parametric study of non-periodic and hybrid auxetic bending-active gridshells | |
EP4425363A1 (en) | Three-dimensional cad system | |
Jacquotte | Generation, optimization and adaptation of multiblock grids around complex configurations in computational fluid dynamics | |
Watada et al. | Shape generation of hexagonal lattice shell consisting of edge offset mesh | |
CN115709567B (en) | Three-dimensional printing path planning method and system based on free-form surface slicing | |
Koelman et al. | Hybrid representation of the shape of ship hulls | |
Zhu et al. | A Spline Based Parametric Modeling Method for Ladder like Facilities | |
JP2009046961A (en) | Design and construction method of structure for approximately drawing and designing curve by circular arc and structure thereof | |
Odehnal et al. | Computing with discrete models of ruled surfaces and line congruences | |
Rom et al. | Reparametrization and volume mesh generation for Computational Fluid Dynamics using modified Catmull-Clark methods |