[发明专利]一种棱柱型对称可展机构单元

说明书

技术领域

本发明涉及张拉整体结构与可展结构，尤其涉及一种棱柱型对称可展机构单元。

背景技术

上个世纪，工程师Geiger成功将建筑师Fuller等提出的“张拉整体”思想应用于土木工程领域，设计出一种由索、杆及膜组成的新型屋盖结构。随后，张拉整体结构、可展结构等新型空间结构体系得到了快速发展，并逐渐应用于工程领域。闭合环形机构可在无应变状态下产生连续、较为显著的几何构型变换，且其构型简单、紧凑，具有单一或较少的可动自由度，颇受设计者青睐。美国NASA实验室已成功将闭合环形机构作为卫星天线的周边支撑，引入到空间可展结构的工程应用；基于剪铰式单元的径向开启式可展结构，已应用于太阳能帆板、可开启屋顶等实际工程中。已有学者基于三轴对称型Bricard机构，提出了采用四面体单元取代常规刚性连杆单元，从而构造出可应用于土木工程领域的可开启屋盖结构。因此，设计一类新型的闭合棱柱型可展机构单元将对张拉整体结构、可展结构的发展与工程应用具有积极的作用。

然而，现有的可展机构主要基于剪铰式单元，现阶段的新型可展机构单元类型较少，主要采用复杂的连接节点或单元方式，无法获得较理想的收纳率，或不能保证单元折叠-展开过程中始终具有单一运动自由度。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有单一运动自由度，整个运动过程连续、可反复，便于结构的折叠和展开的棱柱型对称可展机构单元。

技术方案：本发明的棱柱型对称可展机构单元，包括2N个三杆相交连接节点、N根等长的竖向连杆和2N根等长的水平连杆，其中N为大于2的偶数，每个三杆相交连接节点上均设置有一个竖向连杆转动副和两个水平连杆转动副，竖向连杆转动副与一根竖向连杆连接，两个水平连杆转动副分别与两根不同的水平连杆连接，每根竖向连杆的两端分别与不同的连接节点通过竖向连杆转动副连接，每根水平连杆的两端分别与不同的连接节点通过水平连杆转动副连接；N根水平连杆通过N个三杆相交连接节点首尾连接组成N边形上底面，其余N根水平连杆和N个三杆相交连接节点则组成N边形下底面，上下底面的对应顶点之间均通过竖向连杆连接，组成一个正棱柱体；

每个三杆相交连接节点上的三个转动副的轴心线位于同一平面，且三个转动副的轴心线相交而成的三角形为顶角为α的等腰三角形，竖向连杆转动副位于等腰三角形的底边上，水平连杆转动副位于等腰三角形的腰上，顶角α由下式确定：

，其中l₂、l₃分别为竖向连杆和水平连杆的长度；

竖向连杆转动副的连杆安装位置位于所在等腰三角形底边的中点，水平连杆转动副的连杆安装位置位于所在等腰三角形侧边的中点，竖向连杆垂直于所连接的竖向连杆转动副的轴心线，水平连杆垂直于所连接的水平连杆转动副的轴心线。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明机构单元基于几何正棱柱体，属于三维环向闭合型可展结构体系，具有较好的结构刚度，并具有单自由度运动特性，能够由大体积棱柱型完全展开状态转换为紧凑的折叠状态，且折叠状态下与各连接节点相连的三根连杆相互紧密接触，具有较好的安全性，占用空间小，便于存储和运输。本机构单元的完整折叠-展开过程是连续、可反复的，运动过程中结构仅涉及刚体平移及刚体转动，并始终保持棱柱体型，所有连杆未引起非协调应变。此外，由于本机构单元仅包含连杆和转动副，几何构型美观，制作方便。

附图说明

图1为本发明棱柱型对称可展机构单元的三维示意图。

图2a为本发明棱柱型对称可展机构单元的连接节点示意图。

图2b为本发明棱柱型对称可展机构单元的竖向连杆示意图。

图3a为本发明六边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的三维示意图。

图3b为本发明六边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的俯视图。

图4a为本发明八边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的三维示意图。

图4b为本发明八边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的俯视图。

图5a为本发明十二边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的三维示意图。

图5b为本发明十二边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的俯视图。

其中：1为三杆相交连接节点，2为竖向连杆，3为水平连杆，4为竖向连杆转动副，41为竖向连杆转动副轴心线，5为水平连杆转动副，51为水平连杆转动副轴心线，6为结构中心点，7为可展机构单元结构中心点与连接节点间的连线，8为几何棱柱体的对称主轴。