一种具有编程功能的自锁单元及其组成的自锁阵列系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有编程功能的自锁单元及其组成的自锁阵列系统，所述自锁单元包括互为对称结构的第一压痕板和第二压痕板，第一压痕板和第二压痕板上分别设有若干折痕，第一压痕板和第二压痕板部分粘接在一起形成粘接部，其余非粘接部分形成折叠部，粘接部和折叠部可沿折痕进行折叠和展开，使得自锁单元具有完全展开构型、完全折叠构型和部分折叠构型，自锁单元在完全折叠构型下具有在水平方向或竖直方向上的自锁特性。可编程自锁阵列系统在不改变结构几何与物理参数的前提下，实现了在单元两个正交方向上自锁特性的可编程性。单元两个正交方向上自锁特性的可编程性。单元两个正交方向上自锁特性的可编程性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有编程功能的自锁单元及其组成的自锁阵列系统


[0001]本专利技术涉及超材料
，尤其是涉及一种具有编程功能的自锁单元及其组成的自锁阵列系统。可以应用于航天器中大型平面如：太阳帆、天线、反射器等设备。

技术介绍

[0002]力学超材料的性能主要取决于人工设计的微观结构，单元通过旋转、阵列或镜像等方式进行周期性的排布，实现传统材料难以达到的特殊力学性能，例如具有负泊松比、负刚度或者可调控的刚度等。超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，特别是可用于设计制造高接收率天线，以及雷达反射罩等。目前，通过改变阵列结构的几何参数、材料属性、边界条件以及外部约束约束等，从而实现阵列结构宏观力学行为的调节，日益成为研究的热点。然而，一旦加工制作成型，其内部各个单元的几何和材料属性已经确定，因此阵列结构的力学性能也随之确定。本专利技术提出一类双稳态引导的可编程自锁单元，在不改变结构几何与物理参数的前提下，实现了在单元两个正交方向上自锁特性的可编程性。基于上述可编程自锁单元，可进一步构建力学编码阵列结构，实现阵列结构（超材料）在加工成型后力学特性的可调控性。
[0003]大多数变形材料都局限于一对一的变形过程，即一个设计对应一个目标形状，受限于已经成型的设计限制，难以进行其它多种形式的变形模式。举例而言，对于通常的折纸/剪纸结构，一个特定的折痕或切割图案对应一个目标形状，与之相对应的力学特性也是单一的。增强阵列结构的可编程性，利用一种结构设计实现多种变形模式与力学特性，即“一对多的映射关系”，目前日益成为阵列结构亟待解决的关键问题。
[0004]通常，对超材料的变形模型与力学行为的调控，最直观的一种方法为改变结构的几何尺寸、拓扑、材料或边界等方式。
[0005]目前实现折纸自锁的方式主要为构建多稳态折纸结构。折纸结构具有两个及以上的稳定平衡位置，在外力作用下，结构可以在这些位置间切换，而撤去外力时，结构可以稳定地维持在这些位置，即实现自锁效应。对于多稳态结构而言，使其从当前稳定构型跳转至相邻稳定构型，需要的最小外力定义为稳态裕度。然而，多稳态折纸结构一旦加工成型，其稳态构型与稳态裕度通常也就随之确定，无法实现可编程设计。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提出了一种具有编程功能的自锁单元及其组成的自锁阵列系统，基于折纸与剪纸相结合的可编程自锁阵列结构，在不改变结构几何与物理参数的前提下，实现了在单元两个正交方向上自锁特性的可编程性。基于上述可编程自锁单元，可进一步构建力学编码阵列结构，实现阵列结构在加工成型后力学特性的可调控性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种具有编程功能的自锁单元，所述自锁单元包括互为对称结构的第一压痕板和第二压痕板，第一压痕板和第二压痕板上分别设有若干折
痕，第一压痕板和第二压痕板部分粘接在一起形成粘接部，其余非粘接部分形成折叠部，粘接部和折叠部可沿折痕进行折叠和展开，使得自锁单元具有完全展开构型、完全折叠构型和部分折叠构型，自锁单元在在完全折叠构型下具有在水平方向或竖直方向上的自锁特性。
[0008]进一步，第一压痕板为四角分别标记为A1、B1、C1、D1的正方形面板，面板内部设有正方形镂空区域，所述镂空区域为四角分别标记为E1、F1、G1、H1的正方形，其中，正方形A1B1C1D1与正方形E1F1G1H1具有相同的中心点，且点A1、E1、G1、C1分布在同一条对角线上，点E1至边A1B1的垂点标记为A2，点E1至边A1D1的垂点标记为D4，点F1至边A1B1的垂点标记为A4，点F1至边B1C1的垂点标记为B2，点G1至边B1C1的垂点标记为B4，点G1至边C1D1的垂点标记为C2，点H1至边C1D1的垂点标记为C4，点H1至边A1D1的垂点标记为D2；长度上，设定A1A2=A4B1=B1B2=B4C1=C1C2=C4D1=D1D2=A1D4=a，设定点A3、B3、C3、D3、E2、F2、G2、H2，使得长度上A2A3=B2B3=C3C4=D3D4=E1E2=F1F2=G2H1=E1H2=b，且A3A4=B3B4=C2C3=D2D3=E2F1=F2G1=G1G2=H1H2=c；
[0009]为实现完全展开构型和完全折叠构型的双稳态，几何上使得。
[0010]进一步，第一压痕板1的折痕分别为对应地，第二压痕板2的折痕分别为第一压痕板和第二压痕板粘接部分别为正方形区域与正方形区域粘接、正方形区域与正方形区域粘接、正方形区域与正方形区域粘接、正方形区域与正方形区域粘接。
[0011]进一步，第一压痕板的折痕分别与第二压痕板的折痕粘接；第一压痕板的折痕与对应的第二压痕板2的折痕之间为不粘接折痕，并且自锁单元在被施加压力时第一压痕板和第二压痕板上对应位置的不粘接折痕沿垂直于面板且相互远离的方向移动，从而实现自锁单元的折叠。
[0012]进一步，自锁单元具有“先水平折叠再竖直折叠”的折叠序列，在自锁单元的完全展开构型的水平方向左右两端，分别施加沿水平方向的压力，自锁单元在水平方向上被折叠，矩形区域和分别被翻折于矩形和矩形
之间；矩形区域和分别被翻折于矩形和矩形之间；正方形区域和正方形区域也被折叠；折叠之后，自锁单元由完全展开构型A1B1C1D1变型为部分折叠构型A1B1B3D3；然后在自锁单元的竖直方向上下两端，再分别施加一个沿竖直方向的压力；随着压力的施加，该自锁单元在竖直方向上被折叠,由部分折叠构型A1B1B3D3变型为完全折叠构型A1A3C1D3；此时，自锁单元在水平方向呈现“自锁”状态。
[0013]进一步，自锁单元具有“先竖直折叠再水平折叠”的折叠序列，在上述自锁单元的展开构型的竖直方向上下两端，分别施加沿竖直方向的压力，使得自锁单元在竖直方向上被折叠，折叠之后，由完全展开构型A1B1C1D1变型为部分折叠构型A1A3C3D1；然后在自锁单元的左右两端，再分别施加一个沿水平方向的压力，使得自锁单元在水平方向上被折叠,由部分折叠构型A1A3C3D1变型为完全折叠构型A1A3C1D3；此时，自锁单元在竖直方向呈现“自锁”状态。
[0014]另一方面，本专利技术提供一种自锁阵列系统，所述自锁阵列系统由多个自锁单元组成，自锁单元为根据本专利技术所述的具有编程功能的自锁单元，自锁阵列系统将多个自锁单元进行二维阵列，使其能够将折叠和展开序列进行编程设计，其水平方向阵列数目为M，竖直方向阵列数目为N，由于每个自锁单元在完全展开构型和完全折叠构型下是稳定的，因此自锁阵列系统具有多个稳定的平面构型。
[0015]进一步，采用如下方法描述自锁阵列系统进行编程：自锁阵列系统的完全折叠构型可表示为；需要实现该阵列结构水平方向完全自锁，而竖直方向上具有可展性时，则自锁阵列系统的折叠序列设计为：首先从左至右第1至M列各单元在水平方向上依次折叠，其次从上至下第1至N行各单元在竖直方向上依次折叠；其中，X代表水平方向，Y代表竖直方向，X之后的数字分别代表从左至右的各列单元的折叠或展开状态，Y之后的三位数字分别代表从上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有编程功能的自锁单元，其特征在于，所述自锁单元包括互为对称结构的第一压痕板和第二压痕板，第一压痕板和第二压痕板上分别设有若干折痕，第一压痕板和第二压痕板部分粘接在一起形成粘接部，其余非粘接部分形成折叠部，粘接部和折叠部可沿折痕进行折叠和展开，使得自锁单元具有完全展开构型、完全折叠构型和部分折叠构型，自锁单元在完全折叠构型下具有在水平方向或竖直方向上的自锁特性。2.根据权利要求1所述的具有编程功能的自锁单元，其特征在于，第一压痕板为四角分别标记为A1、B1、C1、D1的正方形面板，面板内部设有正方形镂空区域，所述镂空区域为四角分别标记为E1、F1、G1、H1的正方形，其中，正方形A1B1C1D1与正方形E1F1G1H1具有相同的中心点，且点A1、E1、G1、C1分布在同一条对角线上，点E1至边A1B1的垂点标记为A2，点E1至边A1D1的垂点标记为D4，点F1至边A1B1的垂点标记为A4，点F1至边B1C1的垂点标记为B2，点G1至边B1C1的垂点标记为B4，点G1至边C1D1的垂点标记为C2，点H1至边C1D1的垂点标记为C4，点H1至边A1D1的垂点标记为D2；长度上，设定A1A2=A4B1=B1B2=B4C1=C1C2=C4D1=D1D2=A1D4=a，设定点A3、B3、C3、D3、E2、F2、G2、H2，使得长度上A2A3=B2B3=C3C4=D3D4=E1E2=F1F2=G2H1=E1H2=b，且A3A4=B3B4=C2C3=D2D3=E2F1=F2G1=G1G2=H1H2=c；为实现完全展开构型和完全折叠构型的双稳态，几何上使得。3.根据权利要求2所述的具有编程功能的自锁单元，其特征在于，第一压痕板1的折痕分别为；对应地，第二压痕板2的折痕分别为；第一压痕板和第二压痕板粘接部分别为正方形区域与正方形区域粘接、正方形区域与正方形区域粘接、正方形区域与正方形区域粘接、正方形区域与正方形区域粘接。4.根据权利要求3所述的具有编程功能的自锁单元，其特征在于，第一压痕板的折痕分别与第二压痕板的折痕粘接；第一压痕板的折痕与对应的第二压痕板2的折痕之间为不粘接折痕，并且自锁单元在被施加压力时第一压痕板和第二压痕板上对应位置的不粘接折痕沿垂直于面板且相互远离的方向移动，从而实现自锁单元的折叠。5.根据权利要求4所述的具有编程功能的自锁单元，其特征在于，自锁单元具有“先水平折叠再竖直折叠”的折叠序列，在自锁单元的完全展开构型的水平方向左右两端，分别施加沿水平方向的压力，自锁单元在水平方向上被折叠，矩形区域分别被翻折于矩形
之间；矩形区域分别被翻折于矩形之间；正方形区域和正方形区域也被折叠；折叠之后，自锁单元由完全展开构型A1B1C1D1变型为部分折叠构型A1B1B3D3；然后在自锁单元的竖直方向上下两端，再分别施加一个沿竖直方向的压力；随着压力的施加，该自锁单元在竖直方向上被折叠,由部分折叠构型A1B1B3D3变型为完全折叠构型A1A3C1D3；此时，自锁单元在水平方向呈现“自锁”状态。6.根据权利要求4所述的具有编程功能的自锁单元，其特征在于，自锁单元具有“先竖直折...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翔，付康佳，陈小前，姚雯，吴雪松，庹洲慧，许同林，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：