[发明专利]一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构

权利要求书

1.一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构，其特征在于，包括若干层上下堆叠的折纸管，所述折纸管包括两个对称设置的折纸板，折纸板包括若干个基本单元，所述基本单元依次相接，每个基本单元包括n个小平面和2个大平面，n为大于2的偶数，大平面和小平面均为平行四边形，每个小平面沿宽边的延伸方向依次连接，首尾两端的小平面的宽边分别与2个大平面的宽边连接；

所述小平面和大平面之间形成呈多边形平面的空间，所述多边形平面经过几何拓扑关系确定；

所述在基本单元中，每个小平面同一侧的宽边在同一直线上，相邻的两个小平面之间为折痕线，2个大平面呈轴对称方式连接。

2.根据权利要求1所述一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构，其特征在于，所述大平面和小平面的宽度比值为n/2，大平面和小平面的长度和锐角内角均相同。

3.根据权利要求1所述一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构，其特征在于，所述基本单元的几何参数包括大平面的长度a、大平面的宽度b、大平面的锐角内角φ、小平面的长度a、小平面的宽度b/3、小平面的锐角内角φ以及折叠角θ；所述基本单元的几何参数和小平面的数量均影响每个基本单元的刚度大小，进而调控折纸管的刚度。

4.根据权利要求1所述一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构，其特征在于，所述折纸板采用具有延展性的薄板材料制成。

5.根据权利要求1所述一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构，其特征在于，所述每层折纸管的刚度不同，当堆叠式折纸结构受到自上而下的压缩力时，发生逐层递进的渐进屈曲失稳过程，首先刚度最小的折纸管发生屈曲失稳，然后触发刚度次小的折纸管发生屈曲失稳，以此递推到刚度最大的折纸管，进而实现堆叠式折纸结构的变刚度特性。

6.根据权利要求3所述一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构，其特征在于，基本单元的整体宽度w、整体长度l+v、整体高度h和边缘角度η、γ通过以下公式确定：

cosη＝sin²φcosθ+cos²φ (2)

w＝2b·sin(η/2) (3)

l＝2a·sin(γ/2) (5)

v＝b·cos(η/2) (6) 。

7.根据权利要求3所述一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构，其特征在于，所述小平面的锐角内角φ影响基本单元的刚度，从而改变折纸管的刚度特性，通过以下公式实现：

其中参数φ₁¹,θ₁¹分别表示第一层折纸管的第一折纸板的基本单元的小平面的长度及大平面的长度、大平面的宽度、小平面的锐角内角及大平面的锐角内角、折叠角，参数分别表示第j(j＝2,3…)层折纸管的第i(i＝1,2)折纸板的基本单元的小平面的长度及大平面的长度、大平面的宽度、小平面的锐角内角及大平面的锐角内角、折叠角。

8.根据权利要求6所述一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构，其特征在于，所述折纸结构的宽度W、长度L、和高度H，通过以下公式确定：

其中参数m、n分别表示基本单元在坐标轴x、y方向上的个数，p表示在坐标轴z方向叠加的折纸管个数。