【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机械连接结构设计制造，具体涉及一种多稳态可折叠铰链结构及其制造方法。
技术介绍
1、铰链作为转动的主要机械装置，通常与转轴配合，以实现铰链两端连接件的相对转动。传统机械铰链由通孔和壁较厚的实心部分构成，采用各类金属材料经锻造等成型工艺制成，用于连接与支撑运动部件，被广泛应用在建筑、采矿、农业等领域的大型机械设备中。
2、尽管传统机械铰链的应用场景丰富，但转轴的不可拆卸，使其旋转范围受限，从而在一定程度上限制了连接件间的相对运动。其局限性还在于只能够实现两个连接件间的相对转动，对于多个连接件间的运动，往往需要更多的传统机械铰链相互配合才能实现，这也使得机械设备的结构更为复杂、笨重，且装配繁琐。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种多稳态可折叠铰链结构及其制造方法，可实现具有多稳态特性的可折叠铰链结构的定制化设计制造。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种多稳态可折叠铰链结构，包括间隔设置的若干个变形区a和若干个过渡区b，所述变形区a由基层及其上的变形层组成，所述过渡区b由基层组成，所述变形区a的基层与过渡区b的基层连接为一体，所述过渡区b的几何构型决定所述多稳态可折叠铰链结构的稳态构型数量。
3、进一步地，所述多稳态可折叠铰链结构的宽度为b，所述变形区a的个数为na，长度为la，满足b/4<la<5b；所述过渡区b的个数为nb，长度为lb；所述变形区a和过渡区b的数量决定所述多稳态可折叠铰链结构
4、进一步地，所述变形区a的应变能为：
5、
6、其中，u为变形区a的应变能，k为曲率向量，kt为曲率向量的转置，d为变形区a的面内弯曲刚度矩阵；
7、过渡区b的应变能为：
8、
9、其中，uploy为过渡区b的应变能，bs为材料的弯曲刚度，δ为材料的轴向弹性模量与径向弹性模量之比，χy为过渡区b在y方向的曲率，这里采用的坐标系以材料铺设0°方向为x轴，90°方向为y轴。
10、进一步地，将变形区a的应变能u与过渡区b的应变能uploy分别对其相应区域的长度求偏导数，并使其相等，即当la＝lb时，计算所得的区域长度为临界跳变长度lcl。
11、进一步地，所述多稳态可折叠铰链结构的最小稳态结构单元为ab组合形式，其临界跳变长度lcl决定最小稳态结构单元ab组合的稳态构型：当0<lb<lcl，所述ab组合具有2个稳态构型；当lb>lcl，所述ab组合具有3个稳态构型。
12、进一步地，所述多稳态可折叠铰链结构的最小稳态结构单元为aba组合形式，其临界跳变长度lcl决定最小稳态结构单元aba组合的稳态构型：当0<lb<lcl，所述aba组合具有3个稳态构型；当lb>lcl，所述aba组合具有4个稳态构型。
13、进一步地，所述多稳态可折叠铰链结构的最小稳态结构单元为bab组合形式，其临界跳变长度lcl决定最小稳态结构单元bab组合的稳态构型：当0<lb<lcl，所述bab组合具有2个稳态构型；当lb>lcl，所述bab组合具有4个稳态构型。
14、本专利技术还提供了上述多稳态可折叠铰链结构的制造方法，所述多稳态可折叠铰链结构采用纤维材料铺设而成，所述纤维材料由高分子材料预浸渍的连续长纤维组成。
15、进一步地，所述多稳态可折叠铰链结构采用铺层制备基层，所述基层长度l基＝nala+nblb；根据多稳态可折叠铰链结构的几何构型，在基层上的若干间隔区域进行铺层，制备na个变形层，所述变形层长度l变＝la；将所述多稳态可折叠铰链结构铺设在半径为r，长度为l模的空心钢管模具上，通过真空袋压成型工艺一体式固化成型，得到所需多稳态可折叠铰链结构，所述多稳态可折叠铰链结构的初始稳态所对应的圆心角为β，β＝b/r，π/6<β<2π。
16、进一步地，当所述基层采用单向纤维材料时，铺层结构为当所述基层采用织物纤维材料时，铺层结构为n基表示所述基层的铺层数，n基≥1；
17、当所述变形层采用单向纤维材料时，铺层结构为当所述变形层采用织物纤维材料时，铺层结构为n变表示所述变形层的铺层数，n变≥1。
18、相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供了一种多稳态可折叠铰链结构及其制造方法，可实现具有多稳态特性的可折叠铰链结构的定制化设计制造。本专利技术通过模块化铺层结构设计，利用层合板的复合效应，根据变形区应变能公式与过渡区应变能公式，结合最小稳态结构单元，实现了一种集驱动、回转、锁定于一体的轻质高强可折叠铰链结构。在此基础上，对其稳态构型进行编程化设计，可以满足实际工况需求的多稳态结构，实现结构整体的多稳态与轻量化设计。该结构具有高比强度、高比模量、低能耗、设计性强、易于制造等优点，使其能在弹性变形范围内实现大挠度折叠弯曲变形，无需添加其他移动部件，适用于航空航天、机械装备等需要可折叠机械连接结构等
【技术保护点】
1.一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，包括间隔设置的若干个变形区A和若干个过渡区B，所述变形区A由基层及其上的变形层组成，所述过渡区B由基层组成，所述变形区A的基层与过渡区B的基层连接为一体，所述过渡区B的几何构型决定所述多稳态可折叠铰链结构的稳态构型数量。
2.根据权利要求1所述的一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，所述多稳态可折叠铰链结构的宽度为b，所述变形区A的个数为NA，长度为LA，满足b/4<LA<5b；所述过渡区B的个数为NB，长度为LB；所述变形区A和过渡区B的数量决定所述多稳态可折叠铰链结构的稳态构型数量。
3.根据权利要求1所述的一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，所述变形区A的应变能为：
4.根据权利要求3所述的一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，将变形区A的应变能U与过渡区B的应变能Uploy分别对其相应区域的长度求偏导数，并使其相等，即当LA＝LB时，计算所得的区域长度为临界跳变长度Lcl。
5.根据权利要求1所述的一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，所述多稳态可折叠铰链结构的最小稳态
6.根据权利要求1所述的一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，所述多稳态可折叠铰链结构的最小稳态结构单元为ABA组合形式，其临界跳变长度Lcl决定最小稳态结构单元ABA组合的稳态构型：当0<LB<Lcl，所述ABA组合具有3个稳态构型；当LB>Lcl，所述ABA组合具有4个稳态构型。
7.根据权利要求1所述的一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，所述多稳态可折叠铰链结构的最小稳态结构单元为BAB组合形式，其临界跳变长度Lcl决定最小稳态结构单元BAB组合的稳态构型：当0<LB<Lcl，所述BAB组合具有2个稳态构型；当LB>Lcl，所述BAB组合具有4个稳态构型。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种多稳态可折叠铰链结构的制造方法，其特征在于，所述多稳态可折叠铰链结构采用纤维材料铺设而成，所述纤维材料由高分子材料预浸渍的连续长纤维组成。
9.根据权利要求8所述的一种多稳态可折叠铰链结构的制造方法，其特征在于，所述多稳态可折叠铰链结构采用铺层制备基层，所述基层长度L基＝NALA+NBLB；根据多稳态可折叠铰链结构的几何构型，在基层上的若干间隔区域进行铺层，制备NA个变形层，所述变形层长度L变＝LA；将所述多稳态可折叠铰链结构铺设在半径为R，长度为L模的空心钢管模具上，通过真空袋压成型工艺一体式固化成型，得到所需多稳态可折叠铰链结构，所述多稳态可折叠铰链结构的初始稳态所对应的圆心角为β，β＝b/R，π/6<β<2π。
10.根据权利要求8所述的一种多稳态可折叠铰链结构的制造方法，其特征在于，当所述基层采用单向纤维材料时，铺层结构为当所述基层采用织物纤维材料时，铺层结构为n基表示所述基层的铺层数，n基≥1；
...【技术特征摘要】
1.一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，包括间隔设置的若干个变形区a和若干个过渡区b，所述变形区a由基层及其上的变形层组成，所述过渡区b由基层组成，所述变形区a的基层与过渡区b的基层连接为一体，所述过渡区b的几何构型决定所述多稳态可折叠铰链结构的稳态构型数量。
2.根据权利要求1所述的一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，所述多稳态可折叠铰链结构的宽度为b，所述变形区a的个数为na，长度为la，满足b/4<la<5b；所述过渡区b的个数为nb，长度为lb；所述变形区a和过渡区b的数量决定所述多稳态可折叠铰链结构的稳态构型数量。
3.根据权利要求1所述的一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，所述变形区a的应变能为：
4.根据权利要求3所述的一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，将变形区a的应变能u与过渡区b的应变能uploy分别对其相应区域的长度求偏导数，并使其相等，即当la＝lb时，计算所得的区域长度为临界跳变长度lcl。
5.根据权利要求1所述的一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，所述多稳态可折叠铰链结构的最小稳态结构单元为ab组合形式，其临界跳变长度lcl决定最小稳态结构单元ab组合的稳态构型：当0<lb<lcl，所述ab组合具有2个稳态构型；当lb>lcl，所述ab组合具有3个稳态构型。
6.根据权利要求1所述的一种多稳态可折叠铰链结构，其特征在于，所述多稳态可折叠铰链结构的最小稳态结构单元为aba组合形式，其临界跳变长度lcl决定最小稳态结构...
【专利技术属性】
技术研发人员：王冰，林心雨，赵陈敏，陈侠宇，关成龙，钟舜聪，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：
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