基于折紙的夾層結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法
【專利摘要】一種飛機制造及計算機圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】的基于折紙的夾層結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法，可用于飛行器，例如客機、無人機、火箭、導彈等的殼體，也可用于潛水器，例如潛水艇的殼體。
【專利說明】基于折紙的夾層結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種飛機制造及計算機圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是一種便 于在計算機程序中實現(xiàn)的基于折紙的夾層結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法。

【背景技術(shù)】 諸多研究顯示三維折紙結(jié)構(gòu)具有良好的比強度、吸能特性和隔音特性。基于三維折紙 結(jié)構(gòu)的這些特性，它們已經(jīng)被應(yīng)用于快速空投技術(shù)中，作為投遞物底部的緩沖吸能結(jié)構(gòu)。同 時，這些結(jié)構(gòu)可以作為一種優(yōu)良的飛行器或者潛水器的殼體夾層結(jié)構(gòu)的夾層，從而取代目 前用得比較廣泛的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。飛行器或者潛水器的殼體截面一般呈圓形（例如火箭、 導彈）或者由數(shù)段圓弧組成的閉環(huán)（例如客機、潛水艇）。將折紙結(jié)構(gòu)應(yīng)用于這些殼體時， 一個重要的技術(shù)問題在于在給定殼體截面的幾何尺寸的情況下，設(shè)計出與此截面相匹配的 折紙結(jié)構(gòu)。本發(fā)明就是針對這一技術(shù)問題，提出了數(shù)類符合給定殼體幾何尺寸的折紙結(jié)構(gòu) 及其設(shè)計方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0002] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于折紙的夾層結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方 法，本發(fā)明所提出的殼體夾層結(jié)構(gòu)可用于飛行器，例如客機、無人機、火箭、導彈等的殼體， 也可用于潛水器，例如潛水艇的殼體。
[0003] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟：
[0004] 步驟一：根據(jù)夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑Rin、外徑Rtjut，內(nèi)殼的厚度t in、外殼的厚度tex以及段 長Iseg計算所需夾層的外徑ri，內(nèi)徑A以及長度I :ri = 內(nèi)=Rin+tin ;1 = lseg。
[0005] 步驟二：確定三維直角坐標系的X-Z平面的m個輸入點F?，以及y-z平面的n+2個 輸入占
[0006] 步驟三：根據(jù)輸入點得到折紙結(jié)構(gòu)的mXn個頂點Vi,」的坐標，

【權(quán)利要求】
1. 一種基于折紙的夾層結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 步驟一：根據(jù)夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑Rin、外徑Rtjut，內(nèi)殼的厚度tin、外殼的厚度t ex以及段長 Iseg計算所需夾層的外徑ri，內(nèi)徑A以及長度I :ri = 而=Rin+tin ;1 = Iseg; 步驟二：確定三維直角坐標系的x-z平面的m個輸入點巧，以及y-z平面的n+2個輸 入點Fj,輸入點的坐標分別為：ri = [(2i-D O (―1);-1Afj = I,..,,購其中：m為 大于或等于3的自然數(shù)； 4具體采用以下任一方式實現(xiàn)： 2. 1)
,/ = 〇丄+1?其中：|? = |，N為大于或等于3的自 然數(shù)，η小于或等于2N+1 : 2.2)巧=[0 O r + 5,]T
J = In+1,其中：n 小于或等于 6N+1，N為大于或等于3的自然數(shù)，r| = (r - δ)2;# = (r + 5)2 4

3set，并滿足β > P1以及β > β2 ;+_和c〇k分別是兩個無限長一維向量U和Ω的第j 和第k個元素； U = [P6X1 P6xi · · · ] "" Χ1, Ω = [Q6xi Q6xi · · · ] ^xi ;6X 1 向量P 和 Q 為 P = [r+ δ r- δ r- δ 2 r- δ r+ δ r+ δ J , Q = [ β χ β β 2 β 2 β β J ；
η小于或等于3Ν+1，N為大于或等于3的自然數(shù)，= ^ β+2^ = ;
和《k分別是兩個 無限長一維向量U和Ω的第j和第k個元素，U = [P3X1 P3xi . . . ] " Χ1，Ω = [Q3Xi Q3xi ? · · ] ?ο X1，3X 1 向量 P 和 Q 分另為 P = [r+δ r+δ r-δ ]，Q = [ β 1 β β J ； 2.4:
= 1,...,η + 1，其中：η小于或等 于3Ν+1, N為大于或等于3的自然數(shù)，=導，β +2 β丨=β set ;r丨2 = (r + 5)2 + ft2 (I +

_」和分別是兩個無限長一維向量 U和 Ω 的第 j 和第 k個元素 ，U = [P3xi P3xi …]^xi, Ω = [Q3xi Q3xi …]^xi, 3X1 向 量P 和Q 分另為Ρ=[Γ-δ r-δ r+3]，Q=[@i β 3J;
f = lη+ 1，.其中：n小于或等于 4Ν+1，N為大于或等于 3 的自然數(shù)，美 = 2 β + β 丨+ β 2 = β set ;rf = ((r + 5) cos 警 + Ii) +

。和分別是兩個無限長一維向量U和Ω的第j和第k個元 素 ，U = [P4X1 P4xi ...Lxi, Ω = [Q3xi Q3xi …]^oxiJXl 向量P 和 Q 分另為 P= [r+δ r+ δ r- δ r- δ ]，Q = [ β β 1 β β 2];
*其中：η小于或等于 5Ν+1，Ν為大于或等于3的自然數(shù)，Aet = f，
￠+2^+2^ = i3set，并滿足P1 > β2 ;
Uj和ω k分別是兩個無限長一維冋量U和Ω的弟j和弟k個兀索，U = LP5xi P5xi · · · ] 〇〇 Χ1 ; Ω = [Q5Xi Q5xi? --]〇〇><1，5\1向量？和(>)分別為？=|>-3"5"5 1-5 1-32]，(>)=[32 313 31 β2];
5Ν+1，N為大于或等于3的自然數(shù)，/?set = $ β +2 β J2 β 2 = β set并滿足β i > β 2 ; 2. 7) =* 1,...,η+1，其中：η小于或等于

Uj和ω k分別是兩個 無限長一維向量U和Ω的第j和第k個元素 ，U = [P5X1 P5xi . . . ] " Χ1 ; Ω = [Q5xi Q5xi ? · · ] 〇〇xl，5X 1 向量P 和 Q 分另為 P = [r+δ r-δ r-δ r+δ r+δ J ;Q = [ β 2 β 丄 β β ι β2];
=w + 1，其中：η小于或等于 6Ν+1, N 為大于或等于 3 的自然數(shù),=芋，2 β +2 β 丨+2 β 2 = β set ;r| = (r - 5)2 + ?2 (1 +
:+和ω,分別是兩個無限長一維向 量 U 和 Ω 的第 j 和第 k 個元素 ，U = [P6X1 P6xi …]" Χ1 ; Ω = [Q6xi Q6xi …]" xl，6X 1 向量 P 和 Q 分另為 P=[rrr+5；r;r;r-5];Q=[32 3 β2]; 2
= 1,…,η + 1，.其中：η小于或等 于6Ν+1，N為大于或等于3的自然數(shù)，Aet = |，2 β +2 β # β 2+2 β 3+2 β 4 = β set，并 滿足以及β2>β

r22 = (r - <5)2 + Ii2 (1 + Uj和《,分別是兩個無限長一維
向量 U和 Ω 的第 j 和第 k 個元素 ，U = [P1C)X1 Picixi ... ] ^xi ; Ω = [Q1C)X1 Qicixi ... ] mxp 10 X 1 向量 P 和 Q 分別為 P = [r_ δ rrr+δ r+Sir+δ rrr-δ r_32]，Q=[34 β βιβ3β3βιβ β 2 β 4]； 步驟三：根據(jù)輸入點得到折紙結(jié)構(gòu)的mXn個頂點Viij的坐較
L μ J
y= [0 I 0]TSy坐標軸的單位向量,iz= [0 0 l]TSz坐 標軸的單位向量，11 11表示對向量取模； 步驟四：定義{ui+1,P或者（νΜνΜ+1}為一對相鄰頂點；將所有相鄰頂點用直線連接 起來，這些相鄰頂點之間的連接線段即構(gòu)成了折紙結(jié)構(gòu)的折紋，并進一步采用計算機輔助 實現(xiàn)夾層制造。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的相鄰頂點是指：以Vq為頂點，則其 相鄰點為（?+1,」）或者（?,』 +1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的殼體由四部分組成，分別為：頂部以 O1S圓心的圓弧段，其夾層的外、內(nèi)徑分別為r' 1和1·' 2;左側(cè)以O(shè)2為圓心的圓弧段，其 夾層的外、內(nèi)徑分別為r" 1和1·" 2;底部以03為圓心的圓弧段，其夾層的外、內(nèi)徑分別為 r" ' JPr" ' 2;右側(cè)以04為圓心的圓弧段，其夾層的外、內(nèi)徑分別為r" " JPr" " 2; 令 r' i = 21，r' 2=19, r" i = 51，r" 2 = 49, r" ' i = 29. 786, r" ' 2 = 27.786， r" " i = 51，r" " 2 = 49 ;殼體長度I = 11，采用步驟2. 1)的方式分別設(shè)計頂部、右側(cè)、 底部、左側(cè)的夾層；具體如下： (i) 頂部夾層： 取 m = 7，h = 1，得到 7 個 x-z 平面的輸入點：yf = [ (2i - I) O (-1)?_1]Τ,? = 1,.,.,7 取 N = 40,得到 β = π/40 ;計算得到 r = 19. 9593 和 δ = I. 0045 ;取 η = 21，得到 23 個 y-z平面的輸入點：Fj = [19.9S93 + (
J = 0,1,…,22,計算得到7 X 21個 頂點Vi,」的坐標； (ii) 左、右側(cè)夾層： 由于左、右側(cè)夾層具有相同的幾何尺寸，因此僅需設(shè)計一側(cè)的夾層即可；取m = 7, h = 1，得到 7 個 x-z 平面的輸入點：打=[(2i -I) 0 (-1廣1]Τ,? = 1,·.·,7^Ν = 8〇4^Ι』β =31/80。計算得到r = 49. 9803和δ =1.0011 ;取η = 21，得到23個y-z平面的輸入 點
=0,1,…,22:由公式（9)計算得到7X21個頂點 Vi,』的坐標； (iii) 底部夾層： 取 m = 7，h= 1，得到 7 個 x-z 平面的輸入點：rf = [ (21 - 1) 0 (-l)wf, i = 1, ,..,7 取N = 40,得到β = π/40 ;計算得到r = 28. 7462和δ = L 0049 ;取η = 41，得到43個 y-z平面的輸入#
= 0,1,...，42;計算得到7X41個 頂點Vy的坐標；將上述得到的四部分夾層按順序首尾相連，即得到所述殼體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的計算機輔助制造包括：制造與折紙結(jié) 構(gòu)對應(yīng)的模具，利用模具對平面板材進行成型；利用三維打印技術(shù)打??；利用與制造蜂窩 芯材類似的辦法，即先利用可以方便折疊的材料進行手工折疊，然后再浸入膠水中對折疊 好的結(jié)構(gòu)進行定型和加固。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述夾層之間通過中間殼面隔開。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述夾層采用金屬、合成材料、碳纖維材料 或紙制成。
【文檔編號】G06T17/00GK104376134SQ201310354671
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月14日
【發(fā)明者】周翔, Y·衷, 汪海 申請人:上海交通大學