双向扩展的厚板剪纸阵列可展结构

本发明涉及厚板剪纸阵列，特别是涉及双向扩展的厚板剪纸阵列可展结构。

背景技术：

1、可展结构是自身可变构型的结构，在外力驱动下从折叠收拢状态逐步展开到完全部署状态，并在最终锁定为稳定的工作状态。完全收拢和部署状态时，可展结构表现为稳定的“结构”，而在展开过程中则具备运动自由度的“机构”特性。可展结构在非工作状态下可方便地进行运输和贮藏，而在工作状态下则能够完成相应的工作任务，广泛应用于不同的工程领域，尤其在空间可展结构方面极大地提高了空间运载器的运输能力，为人类进一步探索太空提供了工具与平台。目前，空间可展结构已被广泛应用于星载天线、星载雷达、太阳能电池阵、空间可展机械臂以及太空望远镜等航天器设备。

2、随着航天任务复杂化与多样化，对大折展比、高刚度、高稳定性及轻量化空间可展结构的需求变得更加迫切。近年来逐渐发展了新型折叠方式，如过约束组网、折纸及剪纸等，以设计具有较大折展比和较好折展特性的空间可展结构。然而由于过约束机构受几何条件约束的限制，其无法在工程实践中大规模应用。由于折纸是一种将二维结构按照折痕的顺序折叠成三维模型的艺术，通过对折痕分布进行可编程与创新设计可以获得多种可展结构，基于折纸的可展结构可能存在约束冗余和结构构型工作表面不完全平整的问题。

3、为了克服折纸的上述问题，研究人员开始考虑采用剪纸折叠方式，通过裁切折纸部分折痕来解除部分约束，使可展结构更容易构造平整表面，解决了厚板折纸无法折叠的问题。

4、然而，现有的折纸和剪纸可展阵列只能实现单向扩展，工作面积有限，而且展开型面不平整，因此，需要进一步的改进。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服现有上述的技术中的缺陷，而提供一种双向扩展的厚板剪纸阵列可展结构，通过厚板剪纸阵列与剪叉式平面驱动机构耦合，实现了厚板剪纸阵列的平稳展开，解决了现有可展结构折展比小、工作表面不平整、工作面积有限以及展开形式单一的问题。

2、本发明的另一方面，提供一种双向扩展的厚板剪纸阵列可展结构，由双顶点九折痕厚板折纸单元衍生形成，将单顶点四折痕折纸与单顶点六折痕折纸组合，满足折叠条件且不会产生运动干涉，包括第一厚板剪纸阵列以及与第一厚板剪纸阵列相配合实现第一厚板剪纸阵列展开以及收拢的剪叉驱动机构；所述第一厚板剪纸阵列由八个第一类基本折展单元、共52块板面经采用合页铰链连接构成，合页铰链与板成面螺栓连接；每八块面板构成一个第一类基本折展单元；所述第一类基本折展单元通过纵向以及横向扩展进行组网构建阵列；

3、八个第一类基本折展单元包括从第一侧上部到相对的第二侧上部依次布置的第一类基本折展单元、第一类基本折展单元、第一类基本折展单元、第一类基本折展单元，以及从第二侧下部到第二侧下部的依次布置的第一类基本折展单元、第一类基本折展单元、第一类基本折展单元、第一类基本折展单元共八个折展单元；

4、其中，第一类基本折展单元与第一类基本折展单元共用板面与折痕，第一类基本折展单元与第一类基本折展单元共用板面与折痕；共用折痕处采用合页铰链连接，共用厚板无需连接；其中，峰折痕至于板面连接面下表面，谷折痕至于板面连接面上表面，合页铰链构建的转动副布置在相应折痕处以实现折展运动；每个第一类基本折展单元具有两个顶点a、b，由板p1-板p8组成，板p1与p2相邻，板p2与板p3相邻，板p4与板p3，板p4与板p5相邻，板p4与板p5相邻，板p5与板p6相邻，板p6与板p7相邻，板p7与板p8相邻，板p8与板p1相邻，自板p1到板p8形成一个具有两个顶点a、b的单元结构，板p1、p2、p3以及p8围绕顶点a布置，板板p3、p4、p5、p5、p6、p7以及p8围绕顶点b布置，α12、α23，β3、β1分别为围绕顶点a的板p1、p2、p3以及p8的内侧的四个角，β4、α45、α56、α67、α78、β8顶点b的板p3、p4、p5、p5、p6、p7以及p8的内侧的六个角，顶点a、b的峰谷折痕角度参数满足以下条件：

5、β1+β3+α12+α23＝2π，β4+β8+α45+α56+α67+α78＝2π；

6、β1+α23＝β3+α12＝π，β4+α45+α56＝β8+α67+α78＝π；

7、α56+α67＜π，α12+α23＜π，α45＝α78＞π/2，α12＝α23＝β4＝β8＝α56＝α67，β1＝β3，

8、板p1-p8的厚度及特殊板面上的阶梯厚度分别为t12，t23，t34，t45，t56，t67，t78，t81，其中第一厚板剪纸阵列的板面上不存在的阶梯厚度；

9、面板厚度满以下条件：

10、t12/sinα12＝t23/sinα23，t12＝t34，t23＝t81，t45＝t78，t56＝t67，

11、依据以上条件给定合适的角度参数及厚度参数时第一厚板剪纸阵列可获得完全平整的工作表面。

12、其中，所述第一厚板剪纸阵列采用螺栓连接与剪叉驱动机构在运动耦合点处固结。

13、其中，所述剪叉驱动机构由剪叉单元组成，由电机驱动而提供展开过程中的驱动力，通过电机驱动带动滑块在导轨上移动，驱动剪叉杆动作，实现剪叉驱动机构的折展运动，从而控制所述第一厚板剪纸阵列折展。

14、其中，所述第一类基本折展单元的纵向扩展时采用均匀排列的方式实现，在横向扩展时通过交替排列的方式实现，实现可双向扩展以及较大折展比。

15、其中，所述厚板剪纸阵列的u-1的每块板面在预定位置处进行表面形貌处理，通过剪纸裁切折痕应用于厚板结构，去除构件表面的阶梯结构，使得该第一厚板剪纸阵列在展开到工作位置时能够达到预期的较为平整的工作型面；同时铰链安装处的板面进行处理，以实现折叠过程中板面之间无干涉。

16、本发明的另一方面，提供另一种双向扩展的厚板剪纸阵列可展结构，由双顶点九折痕厚板折纸单元衍生形成，将单顶点四折痕折纸与单顶点六折痕折纸组合，满足折叠条件且不会产生运动干涉，且具有更大折展比，包括第二厚板剪纸阵列以及与第二厚板剪纸阵列相配合实现第二厚板剪纸阵列展开以及收拢的剪叉驱动机构；所述第二厚板剪纸阵列由四个第二类基本折展单元共计32块板面组成，每八块厚板构成一个第二类基本折展单元；

17、所述第二类基本折展单元包括第二类基本折展单元、第二类基本折展单元单元、第二类基本折展单元单元、第二类基本折展单元单元共四个单元；每个第二类基本折展单元由板q1-板q8组成，板q1与q2相邻，板q2与板q3相邻，板q4与板q3，板q4与板q5相邻，板q4与板q5相邻，板q5与板q6相邻，板q6与板q7相邻，板q7与板q8相邻，板q8与板q1相邻，自板q1到板q8形成一个具有两个顶点c、d的单元结构，板q1、q2、q3以及q8围绕顶点c布置，板q3，q4、q5、q6、q7、q8围绕顶点b布置，α12、α23，β3、β1分别为围绕顶点c的板q1、q2、q3以及q8的内侧的四个角，β4、α45、α56、α67、α78、β8顶点d的板q3、q4、q5、q5、q6、q7以及q8的内侧的六个角，顶点c、d的峰谷折痕角度参数满足以下条件：

18、β1+β3+α12+α23＝2π，β4+β8+α45+α56+α67+α78＝2π；

19、β1+α23＝β3+α12＝π，β4+α45+α56＝β8+α67+α78＝π；

20、α56+α67＜π，α12+α23＜π，α45＝α78＞π/2，α12＝α23＝β4＝β8＝α56＝α67，β1＝β3，

21、板q1-q8的厚度及特殊板面上的阶梯厚度分别为t12，t23，t34，t45，t56，t67，t78，t81，其中t12，t23，t34，t81为特殊板面上的阶梯厚度；

22、面板厚度满以下条件：

23、t12/sinα12＝t23/sinα23，t12＝t34，t23＝t81，t45＝t78，t56＝t67，

24、α12＝α23＝β4＝β8＝α56＝α67，β1＝β3。

25、依据以上条件给定合适的角度参数及厚度参数时第二厚板剪纸阵列可获得完全平整的工作表面。

26、其中，在组网构建第二厚板剪纸阵列的过程中采用剪纸折叠方式，在预定板面间通过合页铰链连接，其余板面不连接，获得双侧都较平整的工作表面。

27、本发明的双向扩展的厚板剪纸阵列可展结构，提出了两种可双向扩展折展阵列构型，通过驱动机构的驱动，能进一步提高折展阵列的展收比，获得了较大的工作空间以及几乎平整的型面，促进折纸结构在实际工程中的应用。

28、本发明的利用第一类基本折展单元以及第二类基本折展单元为基础进行组网，提出两种可双向扩展的厚板剪纸阵列，该两种阵列在垂直方向以及水平方向上的扩展能力优秀，有较大的折展比，展开型面几乎完全平整且具有较高的型面精度，同时使用剪叉驱动机构实现展开与收拢，驱动形式简单可靠性高。