[发明专利]一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构

说明书

本发明公开一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构，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，大平面和小平面的宽度比值为n/2，大平面和小平面均为平行四边形。由于堆叠式折纸结构的每层折纸管的刚度不同，当受自上而下的压缩力，堆叠式折纸结构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，然后触发第二小刚度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。根据特定要求，可以堆叠多层不同刚度的折纸管，实现多种变刚度特性。

技术领域

本发明涉及折纸结构技术领域，特别涉及一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构。

背景技术

具有刚度变化力学特性的结构在自然界中广泛存在，如木材、竹子、贝壳、动物骨骼等，这些结构具有良好的自然环境适应性。受大自然启发，设计人员研究了大量具有变刚度力学特性的结构，而这些结构局限于模仿结构的材料组成，存在刚度变化有限、不易于调控刚度、质量重等问题。传统折纸工艺可以通过设定不同的折痕形式，改变结构的空间几何拓扑。而现有变刚度的堆叠式折纸结构可调控结构参数少，限制了其工程应用潜力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构，本结构具有结构轻便，刚度变化范围大，易调控而且可调控参数多的特点。

本发明的技术方案为：一种具有变刚度特性的堆叠式折纸结构，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。基本单元折叠后的多边形平面受折叠后的大平面和小平面的几何约束并发生了一定延展后确定。

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。

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。

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。大平面和小平面的其余参数均可根据以上几何参数计算得到，基本单元的几何参数是堆叠式折纸结构的可调控参数，基本单元的小平面的数量是堆叠式折纸结构的可调控参数。

所述折纸板采用具有延展性的薄板材料制成。

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。

基本单元的几何拓扑关系的参数整体宽度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)

h＝a·cos(γ/2) (4)

l＝2a·sin(γ/2) (5)

v＝b·cos(η/2) (6)