可展结构

       不同于传统的机构或结构,可展结构是一种奇特的工程结构,属于机构与结构的交叉领域。在实现结构基本承载功能的前提下,其能够大尺寸地改变几何形状以适应不同的工况,是实现航天、土木等大型展开结构设计的关键。

1 系统研究方法:过约束机构 + 几何覆盖 = 可展结构

       通过解决一系列的高度非线性几何协调和运动协调等约束难题,提出了可展结构的全新系统设计方法—几何覆盖(Tessellation)法。该方法利用三维过约束机构作为基本单元,按照机构约束条件,依据平面或空间几何覆盖的方式来构建大型可展结构,可以获得所有满足平面及空间覆盖条件的设计方案。如根据Bennett机构设计了一种折叠紧凑的新型可展结构单元,采用该设计方法,构造了一种基于四边形几何排布的大型可展结构。该可展结构由于具有结构简单、折叠特性好等优势,在航天领域拥有巨大应用潜力。

以Bennett 机构为单元,通过几何覆盖法构建的大型可展结构

2 新型大尺度可展结构的设计

       结合空间过约束机构的运动学特性,应用几何覆盖法,基于Bennett linkage, Bricard linkage, Myard linkage, 建立了一系列具有单一自由度、几何过约束、纯转动副连接和冗余刚度等特点的大型可展结构。它们结构简单、易于控制,可折叠成便于收纳与运输的紧凑状态,同时可展成具有特定功能的大型平面、柱面、马鞍面等,因此,此类结构可应用于航空航天及军事相关领域。

基于Bricard linkage的可展平面结构

基于Bennett linkage的可展柱面结构

基于Bennett linkage的可展柱面结构

3 新型可展多面体结构的设计

       通过对空间多环路机构及其运动协调性的研究,结合桁架变换方法,提出单自由度多面体变换结构的设计方法。运用该方法得到了可分别实现立方八面体(由八个三角形和六个四边形围成的十四面体)与八面体、截角八面体(由八个六边形和六个四边形围成的十四面体)与六面体和截顶四面体(由四个三角形和四个六边形围成的八面体)与四面体之间单自由度变换的可展多面体结构。它们的体积折展比分别为5,11.3和23,可显著提升其在展开状态下工作空间。通过对其运动轨迹进行分析和制作物理模型,证明了这些多面体变换过程无运动分叉现象。该可展多面体结构具有结构简单、易于控制等特点,实现了可展结构从二维平面或曲面到三维体结构的延伸。此类多面体结构可应用于小卫星、医疗胶囊机器人等工程领域。

可展多面体结构

4 工程应用

       面向空间技术发展及回收太空结构以减少太空垃圾的需求,提出具有可反复折展功能的空间结构的设计方法,解决了变翼飞机机翼反复伸展与承载兼顾的设计难题。基于Sarrus机构设计了一种具有30%伸展率的可变形机翼。该机翼可根据不同飞行环境改变形状来获得最佳的空气动力学性能。此外,针对军事领域对机动性和快速反应有较高要求,设计出运输方便、架设快速的大型折叠结构。

大型军用折叠结构                                                    伸展翼飞机