一种高折展比的自引导空间支撑结构 |
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| 申请号 | CN202410015136.3 | 申请日 | 2024-01-04 | 公开(公告)号 | CN117864423A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 武汉大学; | 发明人 | 刘胜; 李洋; 陈清扬; 何祥洪; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及空间可展结构领域，具体公开了一种高折展比的自引导空间 支撑 结构，包括多个依次连接的空间支撑单元和用于驱使多个空间支撑单元沿自身轴向压缩的驱动件，空间支撑单元包括由多个支撑板首尾相连合围形成截面封闭的薄壁结构，支撑板可沿自身中线折叠，使薄壁结构可沿自身轴向压缩；每个支撑板上设置有两组折线槽组，折线槽组由支撑板的 顶点 向中线方向倾斜延伸，支撑板的内侧固定设置有多个肋板，肋板位于相应的折线槽的侧边；支撑板的边缘开设有三 角 槽，三角槽的一个顶点位于支撑板的中线上。本申请可实现空间支撑结构的便捷压缩和伸展，驱动方式简单，稳定可靠且成本较低。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高折展比的自引导空间支撑单元，其特征在于：包括： |
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| 说明书全文 | 一种高折展比的自引导空间支撑结构技术领域[0001] 本申请涉及空间可展结构领域，尤其是涉及一种高折展比的自引导空间支撑结构。 背景技术[0002] 空间可展支承结构在航天领域应用非常广泛，常作为一些卫星、空间天线等空间设备的支撑结构。空间可展支承结构需要尽可能高的折展比，以适应运载时的小存储空间和远距离展开需求。 [0003] 目前空间可展结构常用一些复杂的机构，以形成空间绗架，上述方案往往需要很多的空间连杆，铰接点过多，导致不稳定且驱动复杂，成本高。另一种是通过充气式的折纸结构实现，这种结构不能忽略漏气的影响，可靠性低。发明内容 [0004] 为了改善目前空间可展结构驱动复杂、可靠性低的问题，本申请提供一种高折展比的自引导空间支撑单元和支撑结构。 [0005] 本申请提供的一种高折展比的自引导空间支撑单元采用如下的技术方案： [0006] 一种高折展比的自引导空间支撑单元，包括： [0007] 多个支撑板，所述支撑板呈矩形且具有弹性，多个所述支撑板首尾相连合围形成截面封闭的薄壁结构；所述支撑板可沿自身中线折叠，使所述薄壁结构可沿自身轴向压缩； [0008] 折线槽组，每个所述支撑板上设置有两组，所述折线槽组由所述支撑板的顶点向中线方向倾斜延伸，两组所述折线槽组于所述支撑板中线的两侧对称分布；每组所述折线槽组包括两列平行排布的折线槽列，每列所述折线槽列包括多个沿自身长度方向依次间隔排布的折线槽； [0009] 多个肋板，固定设置于所述支撑板的内侧，所述肋板与所述折线槽的位置一一对应，所述肋板位于相应的所述折线槽的侧边； [0010] 三角槽，开设于所述支撑板的边缘，所述三角槽的一个顶点位于所述支撑板的中线上。 [0011] 折线槽削弱了支撑板的刚度，当对空间支撑单元施加轴向的压力时，支撑板沿折线槽向内折叠；同时，三角槽可减小支撑板中线处形变时的反力，使支撑板在外力作用下容易沿自身中线向内折叠。通过折线槽与三角槽配合，无需预折，即可实现空间支撑单元沿自身轴向压缩。 [0012] 肋板可增强支撑板沿折线槽折痕的刚度，有助于避免折叠时因为折线槽对支撑板刚度的削弱而导致折痕压垮，从而提高空间支撑单元伸缩的稳定性。另一方面，肋板对支撑板的折叠有导向作用：由于肋板位于支撑板的内侧，使得支撑板沿折线槽折叠时，两列折线槽的中心线总会沿着肋板指向的方向突出，因为这样变形的“初始应变能”要小于向相反方向折叠的“初始应变能”，即符合能量最低原则；同时也使得支撑板沿自身中线折叠时，折叠方向保持向内。 [0013] 当撤去外力时，支撑板在自身弹性作用下弹开，从而使空间支撑单元沿自身轴向伸展。本申请的结构简单，可实现空间支撑单元的快捷伸缩，稳定可靠。 [0014] 进一步地，所述支撑板上开设有多个折叠缝，所述肋板由所述支撑板沿所述折叠缝向内翻折形成，翻折后所述支撑板上形成的孔洞为所述折线槽。 [0015] 进一步地，所述折叠缝包括一条长缝和分别连接于所述长缝两端的短缝，所述长缝平行于所述折线槽，所述短缝正交于所述长缝。 [0016] 将支撑板沿折叠缝向内翻折，即可形成肋板和折线槽，加工步骤较为简单。 [0017] 进一步地，每列所述折线槽列中，所述肋板向内的翻折方向朝向相邻的所述折线槽列。 [0018] 如此，两列肋板之间的距离较近，对支撑板折痕刚度的加强效果更好。 [0019] 进一步地，每组所述折线槽组中，两列所述折线槽列呈交错布置。 [0020] 如此，两列折线槽交替排布，相应的两列肋板也交替排布，两列交错的肋板相互耦合，对支撑板折痕刚度的加强效果更好。 [0021] 进一步地，所述折线槽列与所述支撑板的中线之间的夹角为30°～75°。 [0022] 夹角在此范围内，可以实现支撑板的顺利折叠。 [0023] 本申请提供的一种高折展比的自引导空间支撑结构，包括多个高折展比的自引导空间支撑单元，多个所述空间支撑单元沿自身的伸缩方向依次连接；还包括用于驱使多个所述空间支撑单元压缩的驱动件。 [0024] 通过驱动件驱使空间支撑单元压缩，从而将整个空间支撑结构压扁；撤去驱动件的外力，在支撑板自身的弹性作用下，空间支撑单元沿自身轴向弹开，从而使整个空间支撑结构伸展成柱状。 [0026] 拉动绳索，使顶板向靠近底板的方向运动，将每个空间支撑单元沿自身轴向压缩，从而将整个空间支撑结构沿轴向压扁；松开绳索，在支撑板自身的弹性作用下，空间支撑单元沿自身轴向弹开，从而使整个空间支撑结构伸展成柱状，具有较高的折展比。 [0027] 本申请的驱动方式简单，只需操作绳索就可实现空间支撑结构的压缩或伸展；本申请可应用于航天领域，将天线、太阳能板等空间设备安装于空间支撑单元上，将空间支撑单元压扁后运载至太空，随后松开绳索使空间支撑单元展开，便于空间设备正常工作。 [0028] 进一步地，相邻的两个所述空间支撑单元之间设置有隔板，所述绳索依次贯穿于多个所述隔板。 [0029] 隔板用于将相邻的两个空间支撑单元彼此隔开，以减小相邻的两个空间支撑单元之间的变形耦合效应，使每个空间支撑单元的变形彼此独立，在绳索的驱动下，多个空间支撑单元可以逐一发生变形，实现空间支撑结构的有序压缩或伸展。 [0030] 进一步地，多个所述空间支撑单元中的所述三角槽的尺寸呈渐变设置，从所述顶板至所述底板方向，所述三角槽的尺寸依次递减。 [0031] 三角槽的尺寸越大，空间支撑单元的变形刚度越小；靠近顶板的空间支撑单元中，三角槽的尺寸较大，空间支撑单元的变形刚度较小；靠近底板的空间支撑单元中，三角槽的尺寸较小，空间支撑单元的变形刚度较大；即从顶板至底板方向，空间支撑单元的变形刚度依次增大。如此，当通过绳索驱动空间支撑结构压缩时，靠近顶板的空间支撑单元将首先被压缩，随后沿着从顶板到底板的方向，多个空间支撑单元依次被压缩，有助于保证空间支撑结构整体压缩的有序性和稳定性。 [0032] 综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果： [0033] 1.通过折线槽与三角槽配合，无需预折，即可实现空间支撑单元沿自身轴向的伸缩； [0034] 2.肋板可增强支撑板沿折线槽折痕的刚度，有助于避免折叠时因为折线槽对支撑板刚度的削弱而导致折痕压垮，从而提高空间支撑单元伸缩的稳定性； [0035] 3.本申请提供的空间支撑结构具有较高的折展比，且驱动方式简单，只需操作绳索就可实现空间支撑结构的压缩或伸展； [0037] 图1是本申请实施例1中空间支撑单元的整体结构示意图； [0038] 图2是本申请实施例1中支撑板的结构示意图； [0039] 图3是本申请实施例1中主要用于展示空间支撑单元压缩状态的示意图； [0040] 图4是本申请实施例2中空间支撑结构的整体结构示意图； [0041] 图5是本申请实施例2中空间支撑结构的局部爆炸结构示意图； [0042] 图6是本申请实施例2中主要用于展示空间支撑结构压缩状态的示意图。 [0043] 附图标记：1、空间支撑单元；11、支撑板；111、中线；12、折线槽；13、肋板；14、三角槽；15、折叠缝；151、长缝；152、短缝；2、顶板；3、底板；4、隔板；5、绳索。 具体实施方式[0044] 以下结合附图1‑6对本申请作进一步详细说明。 [0045] 实施例1 [0046] 本申请实施例公开一种高折展比的自引导空间支撑单元1。参照图1，高折展比的自引导空间支撑单元1包括多个呈矩形的支撑板11，多个支撑板11首尾相连合围形成截面封闭的薄壁结构；本实施例中，支撑板11设置为四个，四个支撑板11合围形成横截面为正方形的柱状薄壁结构。支撑板11具有弹性，可以由橡胶类材料制成，例如TPU橡胶等。支撑板11可沿自身中线111折叠，使薄壁结构可沿自身轴向压缩。 [0047] 参照图1，每个支撑板11上设置有两组折线槽组，折线槽组由支撑板11的顶点向中线111方向倾斜延伸，两组折线槽组于支撑板11中线111的两侧对称分布。每组折线槽组包括两列平行排布的折线槽列，每列折线槽列包括多个沿自身长度方向依次间隔排布的折线槽12。支撑板11的内侧固定设置有多个肋板13，肋板13与折线槽12的位置一一对应，肋板13位于相应的折线槽12的侧边。 [0048] 折线槽12和肋板13采用以下方法加工而成： [0049] 参照图1和图2，支撑板11上开设有多个C型的折叠缝15，折叠缝15包括一条长缝151和分别连接于长缝151两端的短缝152，短缝152正交于长缝151，长缝151和两个短缝152合围形成矩形的折叠区域；折叠区域沿折叠缝15向内翻折形成肋板13，翻折后支撑板11上形成的孔洞为折线槽12。如此，肋板13与折线槽12的位置一一对应，且肋板13位于对应的折线槽12的侧边。 [0050] 为了减少肋板13翻折过程中的干涉，折叠缝15的缝宽约为支撑板11厚度的1/4。为了减少肋板13翻折后回弹的情况，可对翻折后的肋板13进行加热后冷却，从而将肋板13定型。 [0051] 进一步，参照图1和图2，支撑板11的边缘开设有三角槽14，三角槽14的一个顶点位于支撑板11的中线111上。 [0052] 折线槽12削弱了支撑板11的刚度，当对空间支撑单元1的薄壁结构施加轴向的压力时，支撑板11沿折线槽12向内折叠；相邻的两列折线槽列之间的距离越小，两列折线槽列之间的力学耦合越强，折叠效果越好。为了实现支撑板11的顺利折叠，折线槽列与支撑板11的中线111之间的夹角为30°～75°。 [0053] 同时，三角槽14可减小支撑板11中线111处形变时的反力，使支撑板11在外力作用下容易沿自身中线111向内折叠。通过折线槽12与三角槽14配合，无需预折，即可实现空间支撑单元1沿自身轴向压缩。 [0054] 肋板13可增强支撑板11沿折线槽12折痕的刚度，有助于避免折叠时因为折线槽12对支撑板11刚度的削弱而导致折痕压垮，从而提高空间支撑单元1伸缩的稳定性。为了提高肋板13的加强效果，肋板13的宽度约为支撑板11厚度的4倍。 [0055] 为了进一步提高肋板13的加强效果，参照图1和图2，每组折线槽组中，两列折叠缝15“C型”的开口端呈相对设置，使得每列折线槽列中，肋板13向内的翻折方向朝向相邻的折线槽列。如此，两列肋板13之间的距离较近，对支撑板11折痕刚度的加强效果更好。 [0056] 进一步地，参照图1，每组折线槽组中，两列折线槽列呈交错布置，即两列相邻的折线槽列之间，折线槽12不是一一对应地排布，而是交替排布。如此，相应的两列肋板13也交替排布，两列交错的肋板13相互耦合，对支撑板11折痕刚度的加强效果更好。 [0057] 另一方面，肋板13对支撑板11的折叠有导向作用：由于肋板13位于支撑板11的内侧，使得支撑板11沿折线槽12折叠时，两列折线槽12的中心线总会沿着肋板13指向的方向突出，因为这样变形的“初始应变能”要小于向相反方向折叠的“初始应变能”，即符合能量最低原则；同时也使得支撑板11沿自身中线111折叠时，折叠方向保持向内。 [0058] 在肋板13的导向作用下，所有支撑板11的中线111均向薄壁结构的内部突出，形成“负泊松比”效应；持续压缩，将呈现规律的折叠，直至压扁，如图3所示。 [0059] 当撤去外力时，支撑板11在自身弹性作用下弹开，从而使空间支撑单元1沿自身轴向伸展。本申请的结构简单，可实现空间支撑单元1的快捷伸缩，稳定可靠，具有较高的折展比。 [0060] 本申请实施例一种高折展比的自引导空间支撑单元1的实施原理为：当对空间支撑单元1的薄壁结构施加轴向的压力时，支撑板11沿折线槽12向内折叠；同时，三角槽14可减小支撑板11中线111处形变时的反力，使支撑板11在外力作用下容易沿自身中线111向内折叠；通过折线槽12与三角槽14配合，无需预折，即可实现空间支撑单元1沿自身轴向压缩。肋板13可增强支撑板11沿折线槽12折痕的刚度，从而提高空间支撑单元1伸缩的稳定性。当撤去外力时，支撑板11在自身弹性作用下弹开，从而使空间支撑单元1沿自身轴向伸展。本申请提供的空间支撑单元1结构简单，可实现空间支撑单元1的快捷伸缩，稳定可靠。 [0061] 实施例2 [0062] 本申请实施例公开一种高折展比的自引导空间支撑结构。参照图4，高折展比的自引导空间支撑结构包括多个高折展比的自引导空间支撑单元1，多个空间支撑单元1沿自身的伸缩方向依次连接；还包括用于驱使多个空间支撑单元1压缩的驱动件。 [0063] 具体的，参照图4和图5，高折展比的自引导空间支撑结构的两个开口端分别固接有顶板2和底板3，驱动件包括固接于顶板2的绳索5，绳索5穿设于多个空间支撑单元1中且贯穿于底板3。 [0064] 拉动绳索5，使顶板2向靠近底板3的方向运动，将每个空间支撑单元1沿自身轴向压缩，从而将整个空间支撑结构沿轴向压扁，如图6所示。松开绳索5，在支撑板11自身的弹性作用下，空间支撑单元1沿自身轴向弹开，从而使整个空间支撑结构伸展成柱状，具有较高的折展比。 [0065] 为了实现多个空间支撑单元1的有序伸缩，参照图4和图5，相邻的两个空间支撑单元1之间设置有隔板4，绳索5依次贯穿于多个隔板4。 [0066] 隔板4用于将相邻的两个空间支撑单元1彼此隔开，以减小相邻的两个空间支撑单元1之间的变形耦合效应，使每个空间支撑单元1的变形彼此独立。在绳索5的驱动下，多个空间支撑单元1可以逐一发生变形，实现空间支撑结构的有序压缩或伸展。 [0067] 进一步地，参照图4，多个空间支撑单元1中的三角槽14的尺寸呈渐变设置，从顶板2至底板3方向，三角槽14的尺寸依次递减。 [0068] 三角槽14的尺寸越大，空间支撑单元1的变形刚度越小。靠近顶板2的空间支撑单元1中，三角槽14的尺寸较大，空间支撑单元1的变形刚度较小；靠近底板3的空间支撑单元1中，三角槽14的尺寸较小，空间支撑单元1的变形刚度较大；即从顶板2至底板3方向，空间支撑单元1的变形刚度依次增大。 [0069] 如此，当通过绳索5驱动空间支撑结构压缩时，靠近顶板2的空间支撑单元1将首先被压缩，随后沿着从顶板2到底板3的方向，多个空间支撑单元1依次被压缩，有助于保证空间支撑结构整体压缩的有序性和稳定性。 [0070] 本申请提供的空间支撑结构驱动方式简单，只需操作绳索5就可实现空间支撑结构的压缩或伸展，成本较低且稳定性高。本申请可应用于航天领域，将天线、太阳能板等空间设备安装于空间支撑单元1上，将多个空间支撑单元1压扁后运载至太空，随后松开绳索5，使多个空间支撑单元1依次展开，便于空间设备正常工作。 [0071] 以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。 |
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