一种具有双稳态特性的折纸变形结构的制作方法

本实用新型属于智能可变形结构以及复合材料研究技术领域，具体涉及磁场力驱动带有反对称铺设复合材料圆柱壳的具有双稳态特性的折纸变形结构。

背景技术：

近年来，智能可变形结构由于其优越的结构性能，尤其是将二维的结构展开成为三维的立体装置，大大减少了占用的空间，这使其成为了当下的科研热点。特别是在多稳态结构、航空航天领域、机械液压装置等。Origami折纸技术源于中国，能够将材料在二图案和三维立体结构之间相互转化。其在智能结构设计、柔性机器人、微型仿生机器、可折叠机构等领域被广泛的应用。双稳态复合材料是一种新兴智能复合材料，其特点在于存在两种不同的稳定状态，并且在其处于稳定状态时不需要外力来维持。双稳态复合材料稳态之间的相互转变需要一定的外力来驱动，驱动方式存在多种，例如：机械力、磁场驱动、压电驱动、气动驱动等。将Origami结构与双稳态材料有机结合，使得新型结构同时具有折纸结构的多状态特性和双稳态材料的稳定性。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型的目的在于提出一种具有双稳态特性的折纸变形结构，它通过外界施加磁场力来驱动其中的双稳态材料变形，从而促使整个结构的形态改变，该装置结构简单、稳定性好，可以应用于多个领域，如智能可变形结构和航空航天等。

所述的一种具有双稳态特性的折纸变形结构，其特征在于包括折纸变形体，所述折纸变形体由6个立方体薄管组成，反对称双稳态圆柱壳设置在立方体薄管的相对两个角内侧上，6个立方体薄管的一端通过连接块连接，相邻的两个立方体薄管连接面能够围绕折痕转动，所述反对称双稳态圆柱壳的四边中部分别设置永磁体，永磁体上施加有外部磁场，用于产生变形所需的力。

所述的一种具有双稳态特性的折纸变形结构，其特征在于立方体薄管上的四条边缘线与连接块连接处具有铰链的作用，相邻的两个面能够围绕其做转动，转动角度的不同，使折纸变形结构具有不同的状态及包含有不同的体积。

所述的一种具有双稳态特性的折纸变形结构，其特征在于立方体薄管的四个内角中，其中两个内角为0度时，所包含的体积最小，体积=0，四个内角都为90度时，体积达到最大值。

所述的一种具有双稳态特性的折纸变形结构，其特征在于连接块为中部设有折痕的薄板，其折痕起到了线性扭簧的作用，能够沿着折痕做相对的转动。

所述的一种具有双稳态特性的折纸变形结构，其特征在于折纸变形体采用连接块作为媒介将六个立方体薄管相互粘接，折纸变形体能够通过调节各个立方体薄管来控制整个结构的形状配置。

所述的一种具有双稳态特性的折纸变形结构，其特征在于立方体薄管由壁厚为0.08-0.12mm的PET薄膜制备得到，优选壁厚为0.1mm，其尺寸为150mm×150mm 150mm。

所述的一种具有双稳态特性的折纸变形结构，其特征在于所述的反对称双稳态圆柱壳采用T700碳纤维环氧复合材料制备得到，其半径为20-30mm，优选为25mm，其圆心角为180度；长度为90-110mm，优选为100mm。

所述的一种具有双稳态特性的折纸变形结构，其特征在于反对称双稳态圆柱壳由四层T700碳纤维环氧复合材料组成的复合结构，四层T700碳纤维环氧复合材料中，相邻两层的纤维方向不同。

所述的一种具有双稳态特性的折纸变形结构，其特征在于四层T700碳纤维环氧复合材料中的纤维铺设置角度为+45°、-45°、+45°及-45°交叉设置。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1）本实用新型的连接板采用具有折痕的薄板，其折痕起到了线性扭簧的作用，能够沿着折痕做相对的转动；

2）本实用新型在反对称双稳态圆柱壳的四边中部设有永磁铁，使其能从两个方向折叠，呈现出两种不同的稳定状态，并且不需要外力来维持；

3）本实用新型通过将折纸结构与双稳态材料有机得结合起来，得到了同时具有多形态和稳定性的优越特性，其结构简单，使用方便，可应用于多种领域，如可折叠机构、航空航天领域、多稳态结构设计等。

附图说明

图1为本实用新型的整体示意图；

图2为本实用新型的反对称双稳态圆柱壳的结构示意图；

图3为本实用新型的折纸变形体三方向全打开的示意图；

图4为本实用新型折纸变形体一个方向关闭的示意图。

图中：1-折纸变形体，101-立方体薄管，2-反对称双稳态圆柱壳，201-永磁体，3-连接块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围并不仅限于此：

如图1-4所示，本实用新型的一种具有双稳态特性的折纸变形结构，包括折纸变形体1、反对称双稳态圆柱壳2和连接块3，所述的折纸变形体1由六个立方体薄管101组成，反对称双稳态圆柱壳2设置在立方体薄管101的相对两个角内侧上，6个立方体薄管101的一端通过连接块3连接，相邻的两个立方体薄管101连接面能够围绕折痕转动，所述反对称双稳态圆柱壳2的四边中部分别设置永磁体201，永磁体201上施加有外部磁场，用于产生变形所需的力；所述的立方体薄管101上的四条边缘线具有铰链的作用，相邻的两个面能够围绕其做转动，并且根据角度的不同，其具有不同的状态，其所包含的体积也有所不同。当四边形的其中两个内角为0时，所包含的体积也最小，为0，如图4所示，当四个内角都为90度时，体积达到最大值，如图3所示，所述的反对称双稳态圆柱壳置于折纸变形体的内壁上，每个所述的立方体薄管上设有两个反对称双稳态圆柱壳。所述的反对称双稳态圆柱壳2上设有四块小型永磁铁，用于产生变形所需的力。

所述反对称双稳态圆柱壳2的四边中部分别设置永磁体201，永磁体201上施加有外部磁场，用于产生变形所需的力。

所述的折纸变形体1的连接采用通过连接块3作为媒介将六个立方体薄管101相互粘接的连接方式。

所述的折纸变形体1能够通过调节各个立方体薄管来控制整个结构的形状配置。

本实用新型实施例中所述的立方体薄管101的尺寸为150mm×150mm150mm,材料采用壁厚为0.1mm的PET薄膜。

所述的连接板3为具有折痕的薄板，其折痕起到了线性扭簧的作用，能够沿着折痕做相对的转动。

所述的反对称双稳态圆柱壳2采用T700碳纤维环氧复合材料，其半径为20-30mm，优选为25mm，其圆心角为180度；长度为90-110mm，优选为100mm，本实用新型实施例中的反对称双稳态圆柱壳2由四层T700碳纤维环氧复合材料组成的复合结构，尺寸为：半径为25mm，圆心角为180度；长度为100mm，四层T700碳纤维环氧复合材料中，相邻两层的纤维方向不同，每层纤维铺设置角度为+45°、-45°、+45°及-45°交叉设置。

本实用新型的反对称双稳态圆柱壳2具有两种不同的稳定状态，并且不需要外力来维持，由相对两边的永磁铁201的磁力作用实现。

所述的反对称双稳态圆柱壳2需要一定的突变力来促使其从初始状态转变为第二稳定状态，其突变力是通过施加外部磁场在其上的磁铁产生。

本实用新型的连接板采用具有折痕的薄板，其折痕起到了线性扭簧的作用，能够沿着折痕做相对的转动；通过在反对称双稳态圆柱壳的四边中部设有永磁铁，使其能从两个方向折叠，呈现出两种不同的稳定状态，并且不需要外力来维持；本实用新型通过将折纸结构与双稳态材料有机得结合起来，得到了同时具有多形态和稳定性的优越特性，其结构简单，使用方便，可应用于多种领域，如可折叠机构、航空航天领域、多稳态结构设计等。