单自由度三角形Ron Resch厚板折纸结构设计

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六折痕三角形Ron Resch折纸图案的几何构成简单,力学性能良好,折展中可以构造出复杂多样的三维曲面构型,但具有极多的运动自由度,使其折展构型难以控制,严重阻碍了其在工程实践中的应用。现有研究大多停留在折展构型理论设计、特定构型力学性能探究等方面,而运动学分析的研究较少。因此,本文将应用刚性折纸运动学理论、厚板折纸理论,对三角形Ron Resch折纸图案进行运动学分析及折纸机构设计,在保留折痕图案折展运动特性的同时,实现折叠构型的单自由度控制。本文选取三角形Ron Resch折纸图案中包含运动特征的最小的折痕图案单元为研究对象,拟定两种方法对多自由度的研究单元进行降低自由度的设计分析。首先,应用引入对称运动约束法,通过将各个特征顶点等效为具有特定对称运动条件的球面六杆机构,构建研究单元的运动学方程。分析可知,该方法有效的降低了单元的运动自由度,但并未构建出单自由度研究单元。随后,应用厚板折纸理论,基于三角形Ron Resch折纸图案的研究单元,构建与之运动等价的单自由度Ron Resch厚板单元。通过机构参数设计,将研究单元中的各球面六杆机构转换为运动等价的空间过约束机构,随后对研究单元中各顶点间的运动协调条件进行探究。拟定出三种单自由度Ron Resch厚板单元的构建方案,通过运动协调条件及顶点机构运动学分析,构建出两类单自由度Ron Resch厚板单元。并对两类单元分别进行单元运动学分析、参数优化设计及物理模型验证。最后,应用得到的两类单自由度Ron Resch厚板单元进行拓展拼接,构建单自由度多单元Ron Resch厚板结构。设计中将两类厚板单元分开设计,每个设计以相同设计变量的同种单元为单位,通过构建单元间的拼接顶点机构,得到相应的多单元厚板结构。共提出两类基本拼接方法,通过重复或者组合方法,拼接得到一系列单自由度多单元厚板结构,并对厚板结构的折展构型进行简要分析,还提出消除折展中存在的板件干涉的方法。本文系统而深入地分析了三角形Ron Resch折纸图案的机构运动学特征,并应用厚板折纸理论构建出可以单自由度折展的Ron Resch厚板结构。研究成果适用于各种不同厚度、不同材质的刚性材料,可以简便地实现结构构型的变换和控制,因此可应用于实际工程中连续大型三维空间构型的构建。
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