多稳态结构构件以及形成多稳态结构构件的方法技术

公开了在各种结构应用中使用的多稳态结构构件（１０）。构件（１０）具有板形式。在第一构型（例如，展开构型）中，储存弹性应力的第一分布与至少两个增强皱折（１２）保持平衡。在第二构型（例如，卷绕构型）中，这些皱折（１２）变形以提供通过第二构型中的构件的形状保持平衡的储存的弹性应力的第二不同分布。第一和第二皱折是稳定的，但是能够可逆地互换。需要外力以在第一和第二构型之间引起转变。通过金属板的适当塑性变形可形成构件。还公开了用于形成这种多稳态结构构件（１０）、具有多个多稳态构件的多稳态结构和多稳态组合件（３）的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及多稳态结构构件及其形成方法。特别地但不专有地，本 专利技术涉及双稳态结构构件特别是一种稳态构型是平面构型的双稳态结 构构件。WO 97/35706 7>开了可在两种状态之间《没置的细长构件。第一状态是 其中将构件巻绕4吏得其限定巻材轴的巻材。第二状态M开状态，其中构 件沿垂直于巻材的轴伸展为管状结构。当从第一状态伸展时，构件自发地 釆取第二状态。该文献中的细长构件是纤维增强复合物，该构件的特定双 稳态性能由复合物基体中纤维的位置和取向以及纤维和基体之间的弹性 模量差异提供。WO 99/62811公开了 WO 97/35706的技术的iL艮，其中，以采取弓形 (而不是管状)的截面形状的展开状态来提供两个或三个可巻绕构件。所 述可巻绕构件在它们的边缘处M， ^f吏得它们一起对负载结构拔，供支撑。 与WO 97/35706类似，构件由纤维增强复合材料形成。WO 99/62812公开了 WO 97/35706的技术的进一步的t艮，其中，构 件在表面上具有一个或更多个弹性突出鳍(fin),所述鳍在构件处于巻绕 状态时采取一种构型而在构件处于展开状态时采取另 一构型。当构件在展 开状态和巻绕状态之间设置时，鳍变形以使得巻绕相对较紧。然而，鳍本 身不提供用于将构件设置成任一种状态的推动力。US-A-5628069公开了具有双稳态弹簧元件的手套，提供双稳态弹簧元 件用以帮助手套的手指弯曲。弹簧元件是细长的(约为人手指的尺寸)， 并具有在伸长方向上为弓形形状和沿横向基本为直线的第一(封闭)状态 以及在伸长方向上为直线和沿横向为弓形的第二状态。弹簧元件具有在伸 长方向上形成的两个铍折(crease),这些缺折使得元件稳定在第二状态， 防止在没有外部影响的情况下结构变换为第一状态。众所周知，形状记忆合金通常由于温度的变化可形成为能够在两种不 同的形状之间可逆变换的结构。这种材料通常依赖于结晶马氏体相变以提 供非永久性的、不可恢复变形的形状变化。然而，这种材料在它们的温度操作范围上极其受限，并且只有非常特定的合金成分才表现出这种效果， 并且这种效果通常由温度变化所触发。此外，对形状记忆合金器件加入记 忆的形状需要复杂和重复的机械加工。K. Seffen在Bi画stable concepts for reconfigurable structures (45th AIAA Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, Palm Springs, California, 19-22, 2004年4月，No. 2004-1526,通过引用将其全 部内容并入本文)中讨论了薄板形式的双稳态金属结构的结构。在该文献 中，说明了形式为薄金属板的浅双稳态圆顶(dome)阵列的效果。双稳态 圆顶能够被推挤穿过板平面并被锁定在反向位置中，该变形是可逆的。作 者指出，利用圆顶的不同的阵列和取向，可以得到不同的形状组合。该结 构通过在两个厚的钢夹持板之间夹紧时效硬化的铍铜(CuBe)薄板 (0.125mm)而制成。各夹持板具有当将板夹在一起时精确对齐的密集的 六边形钻孔阵列。将直径与板孔相同的钢棒加工为具有圆头端，并用作冲 孔工具。将可锁定的螺母旋入同一端附近的棒上以预设定冲孔深度。锤子 或螺旋压力机可用于施力将棒推至预设的深度，并且在移除夹持板之前， 以连续的方式从两侧冲压所有的孔。圆顶宽度为8.5111111，相邻的圆顶的边 缘间隔2mm。K. Seffen在Mechanical memory metal: A novel material for developing morphing engineering structures (Scripta Materialia (2006) 第55 number 4, 411-414页，通过引用将其全部内容并入本文)中说 明了双稳态屈曲(buckling)圆顶阵列的有限元分析。各圆顶(或凹坑) 与其它的圆顶以复杂的方式相互作用，两者相邻并被去除。对于薄板中 的圆顶的正方格子阵列，能够使板实现基本平面的形状，但是仅通过确 保使交替的圆顶反转来实施。因此，如果板构件所要求的稳态构型之一 是平坦的，那么只能通过将交替的圆顶压入反向位置来实现这一点，这 是十分麻烦的。本专利技术人认识到，能够形成一种双稳态(或者更通常是多稳态)结构 构件，该构件可以可靠地釆取大量的稳态结构中的一种并且只需相对小的 干涉力。在第一优选的方面中，本专利技术提供一种多稳态结构构件，该多稳态结 构构件具有板的形式，并且具有第一构型和第二构型，在所述第一构型中，储存弹性应力的第一分布与至少两个增强铍折(corrugation)保持平衡， 在所述第二构型中，使所述铍折变形以提供通过处于所述第二构型的所述 构件的形状来保持平衡的储存弹性应力的第二不同分布，其中所述第一和 第二构型是稳定的，但是能够可逆地互换，使得需要外力以在所述第一和 第二构型之间引起转变。这样，各构型中构件储存的弹性应力和形状的平衡导致各构型限定关 于能量考虑的局部最小值，由此使得各构型在力学上稳定。对于处于一种 构型的构件施加外部变形力，特别是如果该力朝向其它构型的形状，则如 果外部变形力大于阈值水平，那么将导致构件转变为其它的构型。在第二优选的方面中，本专利技术提供一种用于形成多稳态结构构件的方 法，包括以下步骤使板构件塑性变形，从而形成至少两个增强铍折以增强第一构型；使所i^构件向第二构型塑性变形，由此使所述铍折弹性变形并导致 在板构件中形成与第二构型保持平衡的弹性应力第二分布；以及，任选地，对处于第二构型的板构件施加力，以导致其采取其中储存弹 性应力的第 一分布与所述铍折保持平衡的第 一构型。本领域技术人员#^易理解可以以不同的次序实施第二方面的步骤。因此，在第三优选的方面中，本专利技术提供一种用于形成多稳态结构构 件的方法，包括以下步骤使板构件向第二构型塑性变形；使所a构件向第一构型弹性变形，然后使所i^L构件塑性变形从而 形成至少两个增强铍折以增强所述第 一构型，以形成与所述铍折保持平衡 的储存弹性应力的第一分布；以及任选地，对处于第一构型的板构件施加力以4吏所述铍折弹性变形并导 致在板构件中形成与第二构型保持平衡的弹性应力的第二分布。以下阐述优选和/或任选的特征。除非上下文有其它要求，否则这些特 征可以单独应用或与本专利技术的任意方面任意组合应用。6优选地，结构构件在第一构型中具有多于两个的增强铍折。例如，可存在三个、四个、五个、六个、七个、/\个、九个、十个、十二个、十四个、十六个、十八个、二十个或更多个增强铍折。铍折通常沿同一方向对齐，但铍折能够形成为相互之间具有小角度，并且沿径向从例如位于结构构件外部的名义位置(notional locus )的位置处突出。此外或者作为替代方案，铍折中的两个或更多个可重叠。优选但不必须的是，铍折中的一些或全部沿板构件延伸4^P长度。在铍折中的一些或全部没有沿板构件延伸全部长度的情况下，铍折部分可限定铰接部分。在板材中铍折的形成通常是由于板材塑性变形到板材的初始平面以外所致，该变形沿板的纵向伸展。通常，铍折是连续的(但不必一定如此)并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多稳态结构构件，其具有板的形式，并且具有第一构型和第二构型，在所述第一构型中，储存的弹性应力的第一分布与至少两个增强皱折保持平衡，在所述第二构型中，使所述皱折变形以提供通过处于所述第二构型的所述构件的形状来保持平衡的储存的弹性应力的第二不同分布，其中所述第一和第二构型是稳定的，但是能够可逆地互换，从而使得需要外力以在所述第一和第二构型之间引起转变。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB 2006-6-23 0612558.71. 一种多稳态结构构件，其具有板的形式，并且具有第一构型和第二构型，在所述第一构型中，储存的弹性应力的第一分布与至少两个增强皱折保持平衡，在所述第二构型中，使所述皱折变形以提供通过处于所述第二构型的所述构件的形状来保持平衡的储存的弹性应力的第二不同分布，其中所述第一和第二构型是稳定的，但是能够可逆地互换，从而使得需要外力以在所述第一和第二构型之间引起转变。2. 根据权利要求1的多稳态结构构件，其中，具有横向穿过处于所述第 一构型的结构构件布置的至少四个增强铍^斤。3. 根据权利要求1或2的多稳态结构构件，其中，所述铍折是平滑的铍折。4. 根据权利要求1~3中的任一项的多稳态结构构件，其中，控制所述皱 折的幅度使得所述铍折对所述第一构型提供足够的刚度，但使得所述铍折 仍可变形以导致所述构件采WI定的第二构型。5. 根据权利要求1 4中的任一项的多稳态结构构件，其中，所述第一构 型是平坦化的构型。6. 根据权利要求5的多稳态结构构件，其中，在所述平坦化构型中，所述 铍折采取基本直的纵向形状。7. 根据权利要求5或6的多稳态结构构件，其中，在所述平坦化构型中， 所述缺折的峰彼此位于基;M目同的平面中。8. 根据权利要求1~7中的任一项的多稳态结构构件，其中，所述第二构 型是管状或巻绕构型。9. 根据权利要求1~8中的任一项的多稳态结构构件，其中，所iii6L是金属板o10. —种多稳态结构，具有一个或更多个单稳态区域和一个或更...

【专利技术属性】
技术研发人员：基思A塞芬，西蒙大卫格斯特，亚历山大大卫诺曼，威廉马尔霍兰，
申请(专利权)人：剑桥有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]