一种基于刚性折纸的可折展多边形承载结构

本发明涉及可折展的多边形结构领域，特别是涉及一种具有刚性折叠、高折展比、高承载的可折展多边形结构。

背景技术：

1、折展结构是一种基于功能的形状可变的结构，其可以从紧凑的折叠状态变为可控的展开状态。大多数情况下，折叠状态用于存储和运输，而展开状态用于工作需求。折展结构因其具有良好的折叠特性，目前已用于各种工程领域。例如，在土木工程中，可折叠避难所、可折叠桥梁等折叠板结构和折叠杆结构因其具有施工快捷、运输方便的特点，在应急救灾等领域发挥重要作用。在医疗领域中，以血管支架以及折纸式手术钳为代表的可折展医疗器械为器件的微型化设计以及更加复杂的操作提供了可能。

2、现有折展结构种类繁多，根据其目标展开状态的几何形态可以分为一维杆状折展结构、二维面状折展结构以及三维体状折展结构。其中，一维杆状折展结构主要涉及单一方向的折展，如太空伸展臂；二维面状可折展结构主要涉及平面和曲面的折展，如太阳能电池阵、卫星天线；三维体状可折展结构主要涉及球面、多面体、棱柱等的折展，此类可折展结构多数采用非刚性变形实现折展，如汽车安全气囊、柔性太空舱。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于刚性折纸的可折展多边形承载结构。该结构拥有展开状态和折叠状态；折叠状态具有较好的刚度和承载性能；展开时形状规整方便收纳和运输。结构组成简单、折叠方向可变、几何参数可调、可进行批量化生产。基于上述优点，本发明在包装、家居、土木、建筑、航空航天等领域中具有重要的意义和广阔的应用前景。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于刚性折纸的可折展多边形承载结构，包括一个中心面和三个以上的模块；所述中心面为边数大于3的多边形结构；所述模块的数量与中心面的边数相同，每个模块包括两个完全相同的三角形面和另一个三角形面，依次为第一面、第二面、第三面，且每个模块中的第一面、第二面、第三面依次相连；

4、所述第一面与第二面相邻并通过第一转动副相互连接，所述第二面与第三面相邻并通过第二转动副相互连接；所述中心面与每个模块的第一面相邻并通过转动副相互连接；所述第三面与下一模块的第一面通过转动副相连；

5、可折展多边形承载结构在展开与折叠过程中，各个所述模块能够绕转动副向内旋转折叠，最终折叠状态下各个模块的第一面与第二面完全重合，重合后的第一面及第二面与第三面部分重合，所述各个模块之间在空间上呈旋转对称分布。

6、进一步的，可折展多边形承载结构具有向内与向外两种展开与折叠方向。

7、进一步的，对于所述中心面的边数为偶数的情况下，所述模块数量与边数相同，也为偶数个，通过令相对的两模块折叠方向相同，而相邻两模块折叠方向相反，从而使向内折叠和向外折叠交替进行，得到内折外折交替的折叠状态。

8、进一步的，向内折叠多边形承载结构在最终的折叠状态由于所受承载力的方向与其展开运动方向垂直导致结构实现了自锁，从而具备承载性能。

9、进一步的，两个以内折、外折交替进行得到的多边形承载结构之间能够相对插入，使彼此的内折边与外折边相互对接。

10、进一步的，通过改变中心面的边数、各个顶点的角度及顶点之间的边长，能够实现可折展多边形承载结构折叠特性的改变。

11、进一步的，所述转动副为铰链、合页或轴承中的一种。

12、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

13、1.本发明的可折展多边形承载结构展开状态仅为一层板厚，折叠状态为三维实体总高度，具有非常大的折展比，且展开状态形状规整，便于储存和运输。

14、2.本发明得到的向内折叠的多边形承载结构在折叠状态下由于所受承载力的方向与展开运动方向垂直导致结构实现了自锁，具有较高的承载能力。

15、3.本发明的可折展多边形承载结构可进行折痕转化得到旋转方向相反的两种可折展多边形结构，两种结构具有截然不同的折叠特性与承载能力，可实现不同工作状态的调整与适应。

16、4.本发明的可折展多边形承载结构可通过改变多边形截面的边数、夹角与边长，来设计结构的折叠特性与承载特性，可应用于家具、土木、航空航天等方面的创新设计。

17、5.本发明的可折展多边形承载结构可进行两个结构之间的互锁组合，通过互锁保证结构的稳定性，同时使结构在占用空间不变的情况下承载面的数量加倍，可以大幅提高结构的承载能力。

18、6.本发明的可折展多边形承载结构的折叠过程简单，可分解为对应于多边形边数的多个步骤，且每个步骤均为可控的单自由度折叠。

19、7.本发明的结构简单，便于加工制造与批量化生产。

技术特征：

1.一种基于刚性折纸的可折展多边形承载结构，其特征在于，包括一个中心面和三个以上的模块；所述中心面为边数大于3的多边形结构；所述模块的数量与中心面的边数相同，每个模块包括两个完全相同的三角形面和另一个三角形面，依次为第一面、第二面、第三面，且每个模块中的第一面、第二面、第三面依次相连；

2.根据权利要求1所述的一种基于刚性折纸的可折展多边形承载结构，其特征在于，可折展多边形承载结构具有向内与向外两种展开与折叠方向。

3.根据权利要求1所述的一种基于刚性折纸的可折展多边形承载结构，其特征在于，对于所述中心面的边数为偶数的情况下，所述模块数量与边数相同，也为偶数个，通过令相对的两模块折叠方向相同，而相邻两模块折叠方向相反，从而使向内折叠和向外折叠交替进行，得到内折外折交替的折叠状态。

4.根据权利要求1所述的一种基于刚性折纸的可折展多边形承载结构，其特征在于，向内折叠多边形承载结构在最终的折叠状态由于所受承载力的方向与其展开运动方向垂直导致结构实现了自锁，从而具备承载性能。

5.根据权利要求1或3所述的一种基于刚性折纸的可折展多边形承载结构，其特征在于，两个以内折、外折交替进行得到的多边形承载结构之间能够相对插入，使彼此的内折边与外折边相互对接。

6.根据权利要求1所述的一种基于刚性折纸的可折展多边形承载结构，其特征在于，通过改变中心面的边数、各个顶点的角度及顶点之间的边长，能够实现可折展多边形承载结构折叠特性的改变。

7.根据权利要求1所述的一种基于刚性折纸的可折展多边形承载结构，其特征在于，所述转动副为铰链、合页或轴承中的一种。

技术总结
本发明公开一种基于刚性折纸的可折展多边形承载结构，包括一个中心面和三个以上模块；所述中心面为边数≥3的任意多边形；所述模块的数量与中心面的边数相同，每个模块包括两个完全相同的三角形面和另一个三角形面，依次为第一面、第二面、第三面，且每个模块中的第一面、第二面、第三面依次相连，其中每个模块第一面的一条边与中心面的一条边相连，且每个模块第三面的一条边与下一模块的第一面的一条边相连。

技术研发人员：陈焱,柴思博,张宸浩,涂希能,史圣晗,王梓旭,张霄
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15