一种可折叠膜杆结构制造技术

本发明专利技术公开了一种可折叠膜杆结构，包括四边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜的技术方案及六边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜的技术方案；所述四边形框架由四根杆件以及连接四根杆件的四个铰链节点构成，四个铰链节点包括内部两个内部铰接节点和两个外部铰接节点，内部铰接节点与外部铰接节点交替布置；马鞍形折纸薄膜为具有四个外边的矩形可折叠膜，四个外边分别固定在四根杆件上。在折展过程中，同一根杆件的两端运动方向相反，闭合框架同一条对角线上的两个节点分别向着闭合框架完全展开状态下另一条对角线上两个节点转动轴线交汇点的方向运动。该结构单元具有一个自由度，可折叠为紧凑的捆状，在折叠/可展膜杆结构体系、太阳能电池板中具有很好的应用前景。

A folding membrane rod structure

【技术实现步骤摘要】
一种可折叠膜杆结构
本专利技术是一种应用于太阳能可折叠电池板设计、建筑结构设计和现代空间结构设计的方法，特别是涉及一种可折叠的膜杆结构。
技术介绍
普通面对称形式和三面体形Bricard机构结合，可以获得三重对称Bricard机构。三重对称Bricard机构完全展开时呈一个正三角形平面，完全折起时各杆件在空间重合成一条直线，但是在实际装配的过程中物理杆件是具有体积的，不能实现完全的展开和折起。选取三重对称Bricard机构作为研究对象，该机构在任一状态下，六个转动副的轴线形成两个汇交点，可分别取这两点作为变异后节点位置，即完全折叠状态，同时六个转动副的轴线与相对水平面的交点形成平面三重对称六边形，即完全展开状态。该形式称为三重Bricard机构的变异形式，该形式满足在折叠时紧密贴合，并且能够完全展开的要求。马鞍形折纸折叠过程中，相邻顶点分别朝着相反的方向向折纸中心运动，直至折纸的顶点重合，最终折叠成线形。一个折叠的超对称马鞍形折纸在折叠过程中具有双稳态的特性，两个稳定配置彼此对称，为多功能设备和元表面的开发设计提供了新的方向。目前三重Bricard机构在航空、机器人等领域的应用研究较多，但具有用力过猛时折叠过程中容易发生碰撞损坏的缺点。马鞍形折纸具有无法实现完全折叠、折叠过程难以掌握、折纸容易损坏等缺点。当两种机构结合后，可以克服马鞍形折纸薄膜无法完全折叠和折叠困难的缺陷，并且折叠后的刚性杆对薄膜具有保护作用。所以开发设计基于三重Bricard机构的膜杆单元具有重要的意义。
技术实现思路
技术问题：本专利技术提供一种可拓展、衍生，能高效应用于可折叠结构体系中的两种可折叠膜杆结构。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术第一种可折叠膜杆结构的技术方案是：一种可折叠膜杆结构，其特征在于，包括四边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜；所述四边形框架由四根杆件以及连接四根杆件的四个铰链节点构成，四个铰链节点包括内部两个内部铰接节点和两个外部铰接节点，内部铰接节点与外部铰接节点交替布置；马鞍形折纸薄膜为具有四个外边的矩形可折叠膜，四个外边分别固定在四根杆件上；四根杆件形成的闭合框架在完全展开状态时，整体形状为一个正方形框架，两个外部铰链节点转动轴线的交汇点与两个内部铰链节点转动轴线的交汇点分别位于正方形框架上下两侧，在折展过程中，同一根杆件的两端运动方向相反，闭合框架同一条对角线上的两个节点分别向着闭合框架完全展开状态下另一条对角线上两个节点转动轴线交汇点的方向运动。所述杆件皆为刚性杆件，杆件截面为正方形，截面边长为a，杆件长度均为1，其中杆端截面与杆件轴线的夹角为45°，所述矩形可折叠膜的边长为b，目.所述内部铰接节点设置在杆件内表面处，所述外部铰接节点设置在杆件外表面处；相间的一个内部铰接节点和一个外部铰接节点位于一个二维正方形几何的对角线顶点处。矩形可折叠膜在折展过程中的折叠方式采用马鞍形折纸的刚性折叠方式，折痕呈辐射状正方形，总共有4M条折痕，其中M为大于4的奇数，矩形可折叠膜在折叠过程中始终保持双曲线抛物面，褶皱变化稳定，且其折痕会发生一定的扭转。矩形可折叠膜与四个杆件形成的闭合框架的连接方式为铆钉固接或铰接。本专利技术第一种可折叠膜杆结构，与现有技术相比，具有以下优点：(1)本专利技术中的可折叠膜在折展过程中的折叠方式采用马鞍形折纸的单自由度刚性折叠方式，折展比较大，并且其在折叠过程中始终保持双曲线抛物面，褶皱变化十分稳定，其折痕会发生一定的扭转，但在折叠过程中具有十分好的稳定性，能够通过折展形成较大的空间；(2)本专利技术中的四个矩形截面杆构件形成的闭合框架和可折叠膜在折展过程中运动趋势一致，折展过程中的整体形状呈马鞍形，两者在折展过程中也具有较高的运动协调程度，两者作为一个整体共同协调运动，并具有单自由度；(3)本专利技术中的四个矩形截面杆构件形成的闭合框架为可折叠膜提供了可靠的边界支撑和约束，使得可折叠膜在折叠和工作时的稳定性和边界刚度大大提高，使得该基于马鞍形折纸的可折展结构得以跨越较大的跨度；(4)本专利技术提出的可折展结构只有一个自由度，充分利用了马鞍形刚性折纸与闭合环形机构的优势，结构折展比较大，具有较高的整体刚度和较好的稳定性，易于精度控制和运输保存；(5)本专利技术提出的一种基于马鞍形折纸的可折展结构可以作为一个基本折叠单元进行模块化拓展与衍生，并且可以根据实际需要设计基本折叠单元的大小和尺寸。本专利技术第二种可折叠膜杆结构的技术方案是：一种可折叠膜杆结构，其特征在于：包括六边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜；所述六边形框架由六根杆件以及连接六根杆件的六个铰链节点构成，六个铰链节点包括内部三个内部铰接节点和三个外部铰接节点，内部铰接节点与外部铰接节点交替布置；马鞍形折纸薄膜具有六个外边，六个外边分别固定在六根杆件上；在非工作态下，同一根杆件的两端运动方向相反，分别向着完全展开状态下六个铰链节点转动轴轴线的两个交汇点运动，实现结构的可折叠性能：当所有杆件轴线都与交汇点所在直线平行时，六根杆构件相互聚拢，中间的薄膜也随之相互聚拢，使可折叠膜杆结构折叠为紧凑的竖向一字状。所述六根杆件均为刚性杆件，杆件长度均为l，截面均为边长为a的正三角形，其中杆件两端截面与轴线成60度角；马鞍形折纸薄膜为边长为l的正六边形折纸薄膜，折痕呈辐射状正六边形，总共有12N条折痕，其中N为大于4的偶数，在正六边形马鞍形折纸薄膜任意一对边中线所在方向上相邻折痕间距相等。所述马鞍形折纸薄膜和杆件通过胶接或铆钉固接连接。所述内部铰接节点布置在六边形框架角边的内表面，所述外部铰接节点布置在六边形框架角边的外表面。本专利技术第二种可折叠膜杆结构，与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术首次将三重对称Bricard机构和马鞍形折纸薄膜结合，折叠过程中，外部的刚性框架对内部的薄膜起保护和牵引作用，有利于折叠运动的进行；薄膜为框架的折叠提供阻力和缓冲，有利于转化外部能量，避免框架杆件间的过激碰撞。本专利技术中的Bricrad机构和马鞍形折纸薄膜折叠规律相似，运动过程呈马鞍形，两者作为整体可以一致运动，是具有良好折叠性能的单自由度体系。本专利技术通过外部刚性杆件给薄膜提供约束，克服薄膜折叠的不完全性，非工作状态下节约储存空间，运输方便。本专利技术提出的可折展结构能以小空间提供大的有效展开面积，工作面积大，折叠比大。本专利技术提出的一种基于三重对称Bricard机构的可折叠膜杆结构单元可以作为一个基本折叠单元进行模块化拓展与衍生，并且可以根据实际需要设计基本折叠单元的大小和尺寸。附图说明图1a-图1b为本专利技术实施例一可折叠膜杆结构处于完全展开状态时的三维示意图和俯视图。图2a-图2b为本专利技术实施例一可折叠膜杆结构处于半折叠状态示意图。图3a-图3b为本专利技术实施例一可折叠膜杆结构处于完全折叠状态时的三维示意图和俯视图。图4是矩形截面杆构件的结构示意图。图1和图2中，细线均表示马鞍形折本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可折叠膜杆结构，其特征在于，包括四边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜；所述四边形框架由四根杆件以及连接四根杆件的四个铰链节点构成，四个铰链节点包括内部两个内部铰接节点和两个外部铰接节点，内部铰接节点与外部铰接节点交替布置；马鞍形折纸薄膜为具有四个外边的矩形可折叠膜，四个外边分别固定在四根杆件上；四根杆件形成的闭合框架在完全展开状态时，整体形状为一个正方形框架，两个外部铰链节点转动轴线的交汇点与两个内部铰链节点转动轴线的交汇点分别位于正方形框架上下两侧，在折展过程中，同一根杆件的两端运动方向相反，闭合框架同一条对角线上的两个节点分别向着闭合框架完全展开状态下另一条对角线上两个节点转动轴线交汇点的方向运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种可折叠膜杆结构，其特征在于，包括四边形框架以及一张马鞍形折纸薄膜；所述四边形框架由四根杆件以及连接四根杆件的四个铰链节点构成，四个铰链节点包括内部两个内部铰接节点和两个外部铰接节点，内部铰接节点与外部铰接节点交替布置；马鞍形折纸薄膜为具有四个外边的矩形可折叠膜，四个外边分别固定在四根杆件上；四根杆件形成的闭合框架在完全展开状态时，整体形状为一个正方形框架，两个外部铰链节点转动轴线的交汇点与两个内部铰链节点转动轴线的交汇点分别位于正方形框架上下两侧，在折展过程中，同一根杆件的两端运动方向相反，闭合框架同一条对角线上的两个节点分别向着闭合框架完全展开状态下另一条对角线上两个节点转动轴线交汇点的方向运动。


2.根据权利要求1所述的可折叠膜杆结构，其特征在于，所述杆件皆为刚性杆件，杆件截面为正方形，截面边长为a，杆件长度均为1，其中杆端截面与杆件轴线的夹角为45°，所述矩形可折叠膜的边长为b，且


3.根据权利要求1所述的可折叠膜杆结构，其特征在于，所述内部铰接节点设置在杆件内表面处，所述外部铰接节点设置在杆件外表面处；相间的一个内部铰接节点和一个外部铰接节点位于一个二维正方形几何的对角线顶点处。


4.根据权利要求1所述的可折叠膜杆结构，其特征在于，矩形可折叠膜在折展过程中的折叠方式采用马鞍形折纸的刚性折叠方式，折痕呈辐射状正方形，总共有4M条折痕，其中M为大于4的奇数，矩形可折叠膜在折叠过程中始终保持双曲线抛物面，褶皱变化稳定，且其折痕会发生一定的扭转。

【专利技术属性】
技术研发人员：陈耀，李佳强，范维莹，冯健，严嘉怡，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32