[发明专利]角锥体屈曲元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以应用于各种工业和技术领域的多面体壳体。其主要涉及到建筑、飞机构造、造船和精密仪器制造领域。可用于设计可变的几何形状结构。即需要考虑到弹性多面体薄壳的固定宽度。壳体的中央面是多面体。在不同的应用场合下，与理论和实际计算一样，壳体通常代表其对应的中央面。多面体壳体主要应用于建筑行业[1，2]，其也可用于采用有限元设计的技术领域中。多面体壳体持续增长的重要性在下面所举的空军例子中得到了肯定：美国空军战斗机F-117A机身的一个实质性优势就在于其采用了多面体结构构成[3]。

背景技术

对于任何壳体特别是多面体壳体而言，一个基本要求是在实际应用情况下壳体的稳定性。由本发明主题引发了另一种结构。我们在研究多面体壳体时，其在小载荷下允许大范围受控的几何形状变化。而相同的活动结构在技术应用中还未得知。这里举一个物理模型：非刚性单一球形多面体-屈曲元件(flexors)和刚性正星状角锥体，这些为一个例外的例子，然而这些物理模型在几何学上是公知的。回想一下，这里所述的多面体不存在自相交，因而结构是简单的。A.Cauchy详细说明了如果多面体可持续弯曲，那么这样的多面体应该是非刚性的。这意味着多面体的表面相对于固定板是活动的，因此其边界长度是固定的而其二面角是可变化的。另一方面，根据更多的一般常识，弯曲的表面为等容变形。“屈曲元件(flexors)”的概念是由R.Connelly所提出，其证明了存在单一的球型多面体允许弯曲。这样屈曲元件(flexors)的物理模型是在宽度不变的薄壳情况下提出的，其被称为理论屈曲元件(flexors)。在技术文献中，存在多种其他的概念对应于该理论屈曲元件(flexors)的概念-“机制”、“运动机制”(俄语)，“修正机制”(法语)，“精确机制”(英语)。在实际中，术语“机制”经常在结构断裂现象中使用。另一方面，“机制”的存在本身并不予以讨论，这是因为壳体仅限于在通常实验方法下对其稳定性给出预测后的应用。

到目前为止，仅发现三种康纳利型(Connelly′s type)多面体-屈曲元件(flexors)结构。他们是1978年由R.Connelly发现的(18顶点)，N.Keuper an P.Dehlin发现的(11顶点)，K.Stefen发现的(9顶点)[4]。从实验中得知，多面体壳体在其屈曲元件(flexors)的帮助下得以构建，例如，对于理论屈曲元件(flexors)，其允许大范围的自由变形，而无需依靠多面体表面类型下材料的可见变形；这里，如果其充分受到小负荷作用，变形是自由的。这种多面体壳体的变形能够很好的定义并且过程可逆，而且中央面的某些弯曲过程能够得到完全重复。这里所提到的变形特性有以下具体的推导结果。在小的可以的忽略的载荷作用下，壳体保持持续变形，将变形的振幅变化与壳体大小进行比较。壳体表面沿类似固定板的边缘进行旋转。由于施加的载荷释放在邻近边缘的小范围内，壳体上的张力增大，因此整个壳体边缘系统保持稳定。这种情况称之为多面体类型中的壳体几何弯曲。这种定义过程适合封闭壳体和开放壳体或面板体。此外，其也可应用在刚性的中央表面壳体上，使得其具有重大意义。

从实验中可以得知理论屈曲元件(flexors)具有弯曲的能力，这是由于壳体中非刚性的中央多面体表面造成的。最近，由参考文献[5，6，7]的作者借助特殊多面体星状角锥结构而发现了某些具有刚性中央多面体表面的壳体，其类似理论屈曲元件(flexors)也可以发生几何弯曲。自然地，根据引用文献的作者从乌克兰专利第54692号文献所得到的结果来命名这样的多面体模型屈曲元件(flexors)结构。用语“理想”表示某种类型的壳体稳定性的理想损失，这是由L.Euler在其关于稳定性“少量”损失的文献[8]中预测并考虑到。这种机构还没有数学模型，这是因为作者在壳体理论令人吃惊的新现象的基础上发现了其异常的技术特性。也就是说，发现了这种具有刚性中央面的壳体可允许非刚性的、柔性或迟钝的稳定性损失。这确实令人吃惊，因为力学中的下列原理：一个具有刚性中央面的薄壳在实际中是稳定的[1，2]，直到现在才可普遍应用。所描述模型的理想屈曲元件(flexors)将作为新机构的原型，因此这对重新利用这些原理有利。