CN111139936B - 基于折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元，其特征在于，包括：由剪式铰单元首尾相连构成的环形剪式结构单元；所述剪式铰单元由两根折杆在折杆的中部铰接而成；环形剪式结构单元包括位于剪式铰单元端部的外部节点、内部节点和枢轴节点；连接在以环形剪式结构单元内的中心为对称的所有内部节点之间的一类拉索；以及，连接环形剪式结构单元内每两个相邻剪式铰单元内部节点和外部节点之间的二类拉索。当缩短二类拉索时，该结构单元展开，当缩短一类拉索时，该结构单元收缩。基本单元在二维平面周期性排布，可形成周期对称的大型负泊松比结构，在负泊松比索杆结构体系中具有良好的应用前景。

Description

基于折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元

技术领域

本发明是一种应用于建筑结构设计和现代空间结构设计的方法，特别是涉及一种可展开的高对称负泊松比索杆结构单元。

背景技术

负泊松比结构又称拉胀结构，表现为单向拉伸(或压缩)时。垂直于加载方向会发生膨胀(或收缩)，因此负泊松比结构具有不同于普通结构的独特性质，具有更高的压缩阻抗、抗剪性能、吸能耗能能力。近年来，负泊松比结构由于其优越的性能，逐渐成为各领域研究的热点，在航空航天领域、医疗领域已经有广泛的应用，且在工程中有广阔的应用前景。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可拓展、衍生，能高效应用于负泊松比结构体系中的基于折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元。

技术方案：

一种基于折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元，其特征在于，包括：

由剪式铰单元首尾相连构成的环形剪式结构单元；所述剪式铰单元由两根折杆在折杆的中部铰接而成；环形剪式结构单元包括位于剪式铰单元端部的外部节点、内部节点和枢轴节点；

连接在以环形剪式结构单元内的中心为对称的所有内部节点之间的一类拉索；

以及，连接环形剪式结构单元内每两个相邻剪式铰单元内部节点和外部节点之间的二类拉索。

所述的环形剪式链由6个剪式铰单元首尾相连构成；在6个剪式铰单元的连接处各设置一个二类拉索；在6个剪式铰单元的内部节点设置3个一类拉索。

所述折杆两肢夹角θ均为120°。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

传统二维可展结构为机构，不具有整体刚度(无法承受荷载作用)，且构件基本为刚性杆件，不存在预应力，材料利用率低，整体重量大，而本发明索杆结构单元内添加了索单元，有效赋予了整体结构刚度，在外荷载作用下，结构能自动调整构件内力从而抵抗外荷载的作用，且拉索始终处于受拉状态，压杆始终处于受压状态，受力及结构构型均很合理，结构更为轻盈，材料利用率更高。所组成的构件非常规整，便于模块化，结构呈现高对称性。另外，传统的二维可展结构在展开前后结构构型变化不大，多呈现正泊松比效应，而本发明结构单元在展开过程中各个节点围绕结构中心点沿径向作直线运动，同步膨胀或收缩，呈现出显著的负泊松比效应，且结构构型发生显著变化，由于拉索的存在，展开过程中具有良好的可靠性与折展性能。

本发明的结构单元完全不同于已有的对称可展结构单元(直杆，正泊松比)，所提出的结构单元在展开状态具有整体结构刚度，且在二维平面上周期性排布所形成的结构仍具有基本单元所具备的高对称性和负泊松比效应。

附图说明

图1为本发明的基于六对折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元完全收缩状态示意图。

图2为本发明的基于六对折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元完全展开状态示意图。

图3为本发明的基于六对折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元展开过程中的状态示意图。

图4为本发明的基于六对折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元由完全收缩状态逐渐展开的过程示意图。

图5a、图5b和图5c分别为本发明的基于六对折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元在二维平面上周期性排布所形成的结构的完全收缩状态、展开过程以及完全展开状态的示意图。

图1、图2、图3、图4和图5中，细实线均表示拉索构件，粗实线均表示压杆构件。所有图中A、B、C、D、E、F分别表示位于六边形六条边中点处的节点，G、H、J、K、L、M分别表示六边形几何中点与各边中点的连线处的节点，P、Q、R、S、T、U分别表示位于六边形几何中点与各顶点的连线上的节点。点O表示六边形的几何中点。压杆101、102、103、104、105、106、111、112、113、114、115、116均属于同类压杆，拉索201、202、203属于一类拉索，拉索211、212、213、214、215、216属于二类拉索。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

1.构件连接关系与分类。

如图1、图2和图3所示，本发明的基于折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元。折杆剪式单元以6对为例加以说明，包括18个节点、6根压杆构件以及9根拉索。

18个节点包括6个连接两根杆、一根索的一类节点、6个连接两根杆、两根索的二类节点和6个各对折杆折点相互连接的三类节点，6个铰接节点A、B、C、D、E和F分别位于六边形几何按逆时针排序的六条边的中点，6个铰接节点G、H、J、K、L和M分别位于按逆时针排序的六边形几何中点与各边中点的连线上，6个枢轴节点P、Q、R、S、T、U分别位于按逆时针排序的六边形几何中点与各顶点的连线上，铰接节点和枢轴节点均位于六边形的径向上。

图3中粗线表示压杆，共12根压杆，12根压杆构件均为折杆，折点位于杆件中点，折点两边夹角θ＝120°，且所述的12根压杆分别为连接节点A、P和G的压杆101，连接节点F、P和H的压杆111，连接节点B、Q和H的压杆102，连接节点A、Q和J的压杆112，连接节点C、R和J的压杆103，连接节点B、R和K的压杆113，连接节点D、S和K的压杆104，连接节点C、S和L的压杆114，连接节点E、T和L的压杆105，连接节点D、T和M的压杆115，连接节点F、U和M的压杆106，连接节点E、U和G的压杆116，其中压杆101和压杆111为一对，通过枢轴节点P形成剪式铰单元，压杆102和压杆112为一对，通过枢轴节点Q形成剪式铰单元，压杆103和压杆113为一对，通过枢轴节点R形成剪式铰单元，压杆104和压杆114为一对，通过枢轴节点S形成剪式铰单元，压杆105和压杆115为一对，通过枢轴节点T形成剪式铰单元，压杆106和压杆116为一对，通过枢轴节点U形成剪式铰单元，6对折杆的端点通过铰接节点互相连接，6对折杆绕六边形几何中点旋转对称，12根折杆均有一端位于六边形六条边的中点。

图3中细线表示拉索，共9根拉索，拉索包括位于六边形内部的3根一类拉索和6根二类拉索，所述的3根一类拉索分别为连接节点G和K的一类拉索201，连接节点H和L的一类拉索202，连接节点J和M的一类拉索203；所述的6根二类拉索分别为连接节点A和H的二类拉索211，连接节点B和J的二类拉索212，连接节点C和K的二类拉索213，连接节点D和L的二类拉索214，连接节点E和M的二类拉索215，连接节点F和G的二类拉索216。如图1，完全收缩状态下，6个二类节点G、H、J、K、L和M重合于六边形几何中点O处。如图2，完全展开状态下，每对折杆中的两根杆件重合，节点A和H、节点B和J、节点C和K、节点D和L、节点E和M、节点F和G重合，分别位于六边形各边中点上，6个枢轴节点位于六边形六个顶点上，如图3。

2.构件的几何长度。

用2l表示六边形的边长，如图1所示，12根v形压杆均具有相同的几何长度2l，折点位于v形折杆杆端连线的中垂线上，折点两边杆长度分别为l，夹角θ为120°。完全收缩状态下，6根二类拉索均具有相同的几何长度

3根一类拉索均具有相同的几何长度0。如图2所示，完全展开状态下，6根二类拉索均具有相同的几何长度0，3根一类拉索均具有相同的几何长度

3.构件的下料长度。

构件的下料长度是指构件加工完成时的长度，此时构件处于无应力状态。各类构件的下料长度为：

其中，

为压杆平直段的下料长度，

分别为一类拉索、二类拉索的下料长度。所有压杆长度相等，所有一类拉索长度相等，所有二类拉索长度相等。

4.结构的组装。

首先将按下料长度加工好的压杆平直段通过机械连接组装成夹角为120°的整根折杆。在一二类节点处通过销轴连接(仅允许相对转动)，在三类节点处，通过枢轴连接。按照前述连接关系组装在一起，最终得到的结构即为基于六边形的六角对称可展索杆结构单元。

5.结构的可展开性。

可通过驱动装置改变一类索与二类索的长度，实现该结构的收缩展开。当一类拉索缩短至0，二类拉索伸长至

所述结构完全收缩，其中6个二类节点G、H、J、K、L和M重合于六边形几何中点O处，如图1所示。另外，当二类拉索缩短至0，一类拉索伸长至

时，所述结构完全展开，节点A与H、B与J、C与K、D与L、E与M、F与G重合，如图2所示。在运动过程中，所有节点沿环形剪式结构单元径向运动，所有拉索在径向上缩短/伸长，每对折杆单元相互绕枢轴节点转动，折杆本身形状不发生变化，θ和α保持不变，分别为120°和60°，在展开过程中，v从30°逐渐增加为90°，在收缩过程中，v从90°逐渐减小为30°。

6.结构单元的周期性排布组合

将多个结构单元通过周期性排布组合，收缩状态下，将一个单元的一类节点作为其他单元所在六边形的几何中心，如此组合，如图5a所示。组合结构中当一类拉索缩短至0，二类拉索伸长至

结构完全收缩，二类节点重合于六边形几何中点处，如图5a所示。另外，当二类拉索缩短至0，一类拉索伸长至

时，结构完全展开，杆件与结构单元所在的六边形重合，如图5c所示。展开过程中，所有杆件的端点均沿所处六边形的径向移动。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于折杆剪式单元与拉索的高对称负泊松比结构单元，其特征在于，包括：

由剪式铰单元首尾相连构成的环形剪式结构单元；所述剪式铰单元由两根折杆在折杆的中部销接而成；环形剪式结构单元包括位于剪式铰单元端部的外部节点、内部节点和枢轴节点；

连接在以环形剪式结构单元内的中心为对称的所有内部节点之间的一类拉索；

以及，连接环形剪式结构单元内每两个相邻剪式铰单元内部节点和外部节点之间的二类拉索；

所述折杆两肢夹角θ均为120°。

2.根据权利要求1所述的高对称负泊松比结构单元，其特征在于，所述的环形剪式结构单元由6个剪式铰单元首尾相连构成；在6个剪式铰单元的连接处各设置一个二类拉索；在6个剪式铰单元的内部节点设置3个一类拉索。

3.根据权利要求1所述的高对称负泊松比结构单元，其特征在于，各类构件的长度为：

其中，

为压杆两肢的长度，

、

分别为一类拉索、二类拉索的长度；所有压杆长度相等，所有一类拉索长度相等，所有二类拉索长度相等。

4.根据权利要求1-3任一所述的高对称负泊松比结构单元，其特征在于，通过驱动装置改变一类索与二类索的长度，实现高对称负泊松比结构单元的收缩展开。

5.根据权利要4所述的高对称负泊松比结构单元，其特征在于，当一类拉索缩短至0，二类拉索伸长至

l，对称负泊松比结构单元完全收缩，其中6个内部节点重合于六边形几何中点处；当二类拉索缩短至0，一类拉索伸长至

l时，所述结构完全展开，内部节点与外部节点重合；在运动过程中，所有节点沿环形剪式结构单元径向运动，所有拉索在径向上缩短/伸长，每对折杆单元相互绕枢轴节点转动，折杆本身形状不发生变化，θ和α保持不变，分别为120°和60°，在展开过程中，γ从30°逐渐增加为90°，在收缩过程中，γ从90°逐渐减小为30°。

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