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天津大学陈焱教授团队在厚板折展机构学理论方面取得重要研究进展

日期 2015-07-27   来源:工程与材料科学部   作者:王国彪 赖一楠 何柏岩  【 】   【打印】   【关闭

  2015年7月24日Science在线发表了天津大学陈焱教授领导的团队与英国牛津大学Zhong You教授合作研究成果“Origami of Thick Panels”。该研究从空间机构运动学的基础理论出发,开创性地提出了全新的厚板折展机构学理论模型。

  折展机构在实现其基本承载功能的前提下,能够大尺寸的改变几何形状以适应不同的工况。一直以来,科学家们试图从折纸科学与艺术中寻找设计灵感。早期的折纸研究仅仅关注折痕分布及其最终的三维形状,并假设纸张是零厚度的。然而面对真实工程对象厚度不可忽略问题,已有的理论不再适用。众多学者提出了各种在零厚度折纸模型的基础上增加板厚的方法,但得到的厚板结构或者不平整连续、或者无法紧密折展,其根本原因是球面机构模型将折展运动铰链约束于同一交点,从而无法有效实现板厚与折展运动的协调。

  陈焱等提出的新模型摆脱了原有的折纸运动学模型,创造性地采用空间结构代替球面机构,建立了基于过约束空间机构网格的厚板折纸运动学模型;对各种折纸节点分布进行了系统的非线性运动协调分析,得到单自由度的厚板折纸条件,使得零厚度的折痕分布可以直接应用于厚板折展;通过对多机构网格逆问题的解析,精确地描述了厚板的折展过程,实现了折纸结构与厚板结构运动学的等价,解决了厚板折纸问题。同时该模型将多自由度的零厚度折纸模型转化成单自由度的厚板折纸模型,有效简化了结构的驱动与控制。研究成果可直接用于卫星太阳能帆板、空间天线反射面、建筑结构,以及人体自然腔道狭小空间下手术器械折展机构设计等。

  该研究得到了国家自然科学基金重大项目(资助号51290293)和优秀青年科学基金项目(资助号51422506)的资助。

  论文链接:http://www.sciencemag.org/content/349/6246/396.abstract

A.零厚度的折纸模型,B.基于厚板折纸理论的厚板折展过程

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