Способ изготовления объемного опорного модуля

 

Использование: создание опорных конструкций каркасного типа со свойствами кинематического развертывающего волнового механизма. Сущность изобретения: изготовление опорного модуля осуществляют на технологической плоскости путем образования нескольких взаимно зацепленных петель, располагая их вокруг опорных элементов. Опорные элементы и петли выполняют из длинномерных упругих нерастяжимых стержней. Опорные элементы выполняют в виде замкнутых стержней, концы которых фиксируют. Петли укладывают замкнутыми рядами в различных сочетаниях переплетения между ними, чередуя проходы стержня, образующего последующую петлю по обе стороны стержня, образующего предыдущие петли. 20 з. п. ф-лы, 25 ил.

Изобретение относится к механике и предназначено для изготовления унифицированной механической конструкции каркасного типа, способной изменять свою конфигурацию и принимать различные пространственные формы, ограниченные поверхностями параболического, эллиптического и/или гиперболического типа, которые задают совокупностью точек.

Данным предложением решается задача расширения формообразующих возможностей опорного модуля, основанная на том, что при трансформации конструкции модуля, изготовленной в виде решетчатой диафрагмы, изменяется геометрия его ячеек (углы и длины сторон), в результате чего опорный модуль непрерывно изменяется как единое целое. Это обусловлено тем, что опорный модуль воспроизводит поверхность не за счет аппроксимации путем разбиения ее на многоугольники, а в виде системы упругих контактов точечного типа, объединенных конструкцией опорного модуля, основанной на контактирующих между собой твердых телах.

Изобретение может найти применение при изготовлении конструкций каркасного типа, в том числе с изменяемой кривизной аппроксимируемой поверхности, в частности изделий технического и декоративного дизайна, различных геометрических моделей, решетчатых мембран (диафрагм) и ряда других опорных и самоопорных приспособлений и устройств.

Известен способ построения объемного опорного модуля [1] образованного несколькими расположенными в пространстве взаимно зацепленными петлями из длинномерных упругих нерастяжимых стержней круглого сечения. Известный способ включает изгибание стержней с последовательным образованием из них петель, точечно и подвижно соприкасающихся поверхностями, и соединения концевых частей фиксирующими элементами.

Недостатком известного способа является однозначность выполнения модуля, определяющая изготовление только одного изделия.

Целью изобретения является реализация возможности построения конструкции, аппроксимирующей поверхность в виде совокупности пространственных петель, которую можно преобразовать из одного типа пространственных поверхностей в другой (например, гиперболическую и эллиптическую).

Согласно изобретению, изготовление объемного опорного модуля осуществляют на технологической поверхности, где предварительно размещают несколько опорных элементов, каждый в виде изогнутого и замкнутого концами стержня. Опорные элементы располагают на технологической плоскости без их взаимного касания. Образование петель ведут путем фиксации хотя бы на одном опорном элементе изогнутых стержней с дальнейшей стыковкой торцов изогнутых стержней, зацепляя между собой смежные петли. Во время изготовления модуля производят промежуточную фиксацию скрещенных стержней. После окончания образования петель к их граничным участкам прикладывают равномерное усилие до придания опорному модулю объемного готового вида. Данную операцию проводят в несколько приемов.

Изобретение характеризуется тем, что при изготовлении одного объемного модуля один из опорных элементов выполняют в виде кругового кольца.

При этом опорные элементы на технологической плоскости могут располагать различным образом: концентрично, один внутри другого эксцентрично. Опорный элемент может быть выполнен в виде узла, например трилистника. Образование петель может быть осуществлено укладкой одновременно двумя параллельными стержнями. Вариант изготовления модуля может включать дополнительный стержень в форме кольца, расположенный поперек витков, и зацепленный с образованными ранее петлями при регулярном чередовании проходов по обе стороны стержня, образующего смежные петли.

Вариантами изготовления модуля при укладке петель двумя стержнями является их периодическое перекрещивание между собой, в том числе осуществляемое как на внешних участках петель, так и на внутренних, симметрично относительно оси соответствующего опорного модуля.

Скрещение стержней также может быть расположено асимметрично относительно оси соответствующего опорного модуля при смещении, по меньшей мере, одной петли или выполнении по меньшей мере одной петли с длиной, отличной от остальных.

Способ также характеризуется тем, что скрещение стержней при образовании петель осуществляют симметрично относительно плоскости, расположенной поперек витков, образованных петель и не пересекающей ни одного из опорных элементов. Вариантом является расположение скрещения стержней симметрично относительно центра образования петель, расположенного вне опорных элементов.

Изготовление модуля также может включать введение по меньшей мере одного замкнутого дополнительного стержня, располагая его вдоль витков петель, образованных ранее, с регулярным чередованием проходов по обе стороны стержня, образующего смежные петли.

Стержни могут быть выполнены в виде полых трубок или конусных стержней которые стыкуют таким образом, что тонкие концевые части располагают в направлении геометрического центра опорного элемента.

На фиг. 1, 2 изображена стадия изготовления опорного модуля, включающая расположение опорных элементов и фиксацию на них стержней; на фиг. 3 операция соединения стержней торцевыми концами; на фиг. 4 операция изгиба стержней; на фиг. 5 операция образования петель, расположенных между опорными элементами; на фиг. 6 операция образования петель, охватывающих центральный опорный элемент; на фиг. 7 стадия завершения операции образования петель; на фиг. 8 показана структура скрещивания стержней; на фиг. 9 изображен готовый опорный модуль, расположенный на технологической плоскости; на фиг. 10-13 изображены этапы приложения усилия к граничным участкам петель до приведения опорного модуля в объемный вид; на фиг. 14 изображена операция построения опорного модуля при эксцентрическом расположении опорных элементов; на фиг. 15-17 изображена операция построения опорного модуля при вариантах расположения опорных элементов; на фиг. 18 построение опорного модуля при укладке петель двумя параллельными стержнями с перекрещиванием на внутренних участках петель; на фиг. 19 то же, на внешних участках петель; на фиг. 20 то же, на внутренних и внешних участках петель; на фиг. 21 образование петель с введением замкнутого дополнительного стержня; на фиг. 22 построение опорного модуля с образованием по меньшей мере одной смещенной петли; на фиг. 23 то же, с образованием по меньшей мере одной петли, длина которой отличается от остальных; на фиг. 24 вид опорного элемента в виде трилистника; на фиг. 25 образование петель с введением замкнутого дополнительного стержня в виде кольца.

Опорный модуль содержит опорные элементы, длинномерные упругие нерастяжимые стержни 2, технологическую плоскость 3; крепежные элементы 4.

Способ изготовления объемного опорного модуля осуществляется следующим образом.

На плоскости располагают один или несколько опорных элементов 1, каждый из них выполняют из изогнутого стержня, замкнутого в кольцо с фиксированием его торцов крепежными элементами 4. Крепежные элементы могут быть выполнены в виде стандартных зажимных креплений и/или соединений, в том числе разъемных (пружинные кольца, упругие фиксирующие устройства, в частности мгновенного (защелкивающегося) действия. Петли выполняют из упругих нерастяжимых стержней круглого сечения, в том числе в виде трубок. Стержни также могут быть также выполнены конусными с их стыковкой во время образования петель таким образом, что тонкие концевые части укладывают в направлении геометрического центра опорного элемента.

Опорные элементы размещаются на плоскости без их взаимного касания, могут быть выполнены различного размера и располагаются как одно внутри другого (концентрично и эксцентрично), так и снаружи.

Далее стержни укладывают вокруг опорного элемента с фиксацией мест их касания с опорным элементом (фиг. 1 и 2).

Свободные концы стержней, уложенных вокруг опорных элементов, удлиняются путем стыковки и фиксации с другими стержнями. Далее удлиненные стержни равномерно выбирают в направлении от центрального опорного элемента и образуют петли, располагая их между опорными элементами. Смежные петли зацепляют между собой при прохождении стержня, образующего каждую последующую петлю, между участками стержня, образовавшего предыдущую петлю, с последовательным чередованием проходов над и под стержнем. Петли укладывают вокруг опорного элемента замкнутым рядом. При этом возможно образование рядов с неодинаковыми по длине петлями (см. фиг. 23), а также укладка петель одновременно двумя параллельными стержнями (см. фиг. 18-21). В последнем случае параллельные стержни перекрещивают между собой в момент удлинения стержней. При этом данное перекрестие может быть расположено на внутренних участках петель (фиг. 18), на наружных (фиг. 19) и на обоих участках петель (фиг. 20).

Частым случаем изготовления модуля является введение дополнительного стержня после укладки ряда петель путем его введения в образованные ранее петли по обе стороны первого стержня (фиг. 21).

Также частным случаем изготовления модуля является вид петель, зацепление которых между собой определяется направлением изгиба стержней относительно опорного элемента: одну часть стержней, образующих витки, изгибают в направлении от опорного элемента, а другую в направлении к опорному элементу (фиг. 7).

Выполнение опорного модуля может быть также с образованием опорного элемента в виде узла в виде трилистника (фиг. 24).

Вариантом вида опорного модуля является его изготовление с введением дополнительного стержня замкнутым кольцом, укладывая его между витками петель с регулярным чередованием проходов по обе стороны стержня, образующего смежные стержни (фиг. 25).

Во время укладки петель осуществляют временную фиксацию мест перекрещивания стержней смежных петель, которую удаляют после окончания переплетения всех рядов петель.

Для придания готового объемного вида опорному модулю к граничным участкам петель прикладывают равномерное усилие. Данная операция может быть проведена несколько раз для придания модулю более правильной формы.

Работу опорного модуля в режиме изменения его формы можно представить как целенаправленное изменение формы опорного модуля при его трансформации, т. е. как трансфигурационный процесс (трансформация, изменяющая геометрию формы пространственной фигуры). Согласно данному способу, такой процесс формообразования отделен от процесса создания собственной конструкции опорного модуля. Формообразование здесь связано с процессом создания границы пространственной фигуры в виде поверхности, заданной точечной совокупностью. Здесь нет видимого ограничения на создаваемые пространственные формы, за исключением случаев образования фигур, ограниченных плоскостями. В основе образуемых пространственных форм лежат фрагменты "гладких", плавных точечных поверхностей параболического, сферического и гиперболического типа. Сочетание поверхностей двух последних типов в пределах приводит к образованию пульсирующей "каналовой" поверхности, гомеоморфной цилиндру. Трансфигурационный процесс тесно связан с изменением геометрии петель как звеньев пространственно периодической структуры опорного модуля. Изменение геометрии петель (изменение величины углов, перераспределение длины составляющих их участков стержня 1) сопровождается при трансформации опорного модуля двумя движениями: участки стержня скользят один по другому и одновременно вращаются (скручиваются). Таким образом, контактирующие цилиндрические стержни совмещают в себе свойство тел скольжения и свойств тел качения.

Кроме того, при трансформации опорного модуля возникает эффект бегущей волны, т. е. перемещение гребней и впадин стержней в месте их пересечения опорного модуля, причем участок стержня предыдущей петли является опорой для гребня волны, а участок стержня последующей петли опорой для впадины. Таким образом, при трансформации волна бежит как бы сама по себе, но при этом постоянно меняются пространственные положения гребней и впадин волны. Вследствие того, сто общая длина замкнутого стержня при этом не меняется, бегущую по телу опорного модуля волну можно рассматривать как колебания конструкции. В статическом состоянии, то есть в отсутствии трансформации, эту волну можно рассматривать как "замороженную" в определенной фазе, причем число впадин и гребней волны (пространственных мод) определяется числом скрещений стержней.

Эксплуатационные показатели опорного модуля тесно связаны с его существенными конструктивными особенностями: числом скрещений стержней конфигурацией петель, прочностными и геометрическими характеристиками применяемого в качестве стержня материала и характера трассирования решетчатой структуры. При стыковке стержней, например сваркой, необходимо обеспечить в месте стыка достаточную чистоту поверхности стержня, стыковку можно осуществлять, например, стандартным резьбовым разъемным соединением. При использовании опорного модуля в стационарных, либо в нестационарных условиях необходимо или увеличивать трение за счет, например, увеличения силы нормального давления, или (во втором, нестационарном случае), наоборот, необходимо уменьшать трение за счет смазки или введения специальных пленочных покрытий, в том числе и полирующих (тефлоновых и пр.). Скручивание (равномерный поворот) стержня при трансформации опорного модуля приводит к дополнительной напряженности конструкции опорного модуля и увеличивает его прочностные свойства как опорного или самоопорного приспособления.

Предварительные испытания, проведенные на различных по размерам конструкциях (от 0,2 до 3 м) опорного модуля в виде самоопорных моделей (фиг. 4) показали, что при закреплении определенной части скрещений стержней можно получить конструкции, которые обладают достаточной нагрузочной способностью. Конструкции опорных модулей обладают также повышенной надежностью и живучестью, обусловленной тем, что разрыв единого замкнутого стержня 1 даже в нескольких различных областях многовитковой решетчатой структуры опорного модуля не нарушает его основных свойств, то есть опорный модуль способен продолжать и в этом случае выполнять свои функции, хотя его нагрузочная способность несколько снижается. Разрушение в нескольких местах единого замкнутого стержня не приводит к катастрофическому отказу конструкции опорного модуля.

Формула изобретения

1. Способ изготовления объемного опорного модуля, образованного несколькими расположенными в пространстве взаимно зацепленными петлями из длинномерных упругих нерастяжных стержней круглого сечения, включающий изгибание стержней с последовательным образованием из них петель, точечно и подвижно соприкасающихся поверхностями, и соединение концевых частей фиксирующими элементами, отличающийся тем, что изгиб стержней и соединение их концевых частей осуществляют на технологической поверхности с промежуточной фиксацией скрещений стержней и последующим приложением равномерного усилия к граничным участкам петель до приведения в требуемое положение, при этом образование петель ведут после предварительного изготовления нескольких опорных элементов, каждый в виде изогнутого и замкнутого концами стержня, располагаемых на технологической поверхности без их взаимного касания, путем фиксации хотя бы на одном из них изогнутых стержней, причем образование по меньшей мере двух петель на каждом замкнутом стержне ведут путем стыковки торцов изогнутых стержней, зацеплля между собой смежные петли.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточную фиксацию скрещений стержней и последующее приложение усилия к некоторым граничным участкам петель готового опорного модуля проводят в несколько приемов.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один из опорных элементов из каждых используемых при изготовлении одного объемного опорного модуля выполняют в виде кругового кольца.

4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что опорные элементы на технологической поверхности располагают концентрично.

5. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что опорные элементы располагают на технологической поверхности один внутри другого эксцентрично.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что опорный элемент выполняют в виде узла, например "трилистника".

7. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что образование петель ведут при укладке одновременно по меньшей мере двумя параллельными стержнями.

8. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что располагают поперек витков по меньшей мере один замкнутый дополнительный стержень, зацепляя его с образованными ранее петлями, с регулярным чередованием проходов по обе стороны стержня, образующего смежные петли.

9. Способ по пп.1 8, отличающийся тем, что дополнительный стержень выполняют в форме кольца.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что образование петель по меньшей мере двумя параллельными стержнями ведут при их периодическом перекрещивании между собой.

11. Способ по пп.7 и 10, отличающийся тем, что перекрещивание между собой стержней осуществляют на внешних участках петель.

12. Способ по пп.1, 7, 10 и 11, отличающийся тем, что перекрещивание между собой стержней осуществляют на внутренних участках петель.

13. Способ по пп.1 и 7, отличающийся тем, что перекрещивание между собой стержней осуществляют на внутренних и внешних участках петель.

14. Способ по пп. 1, 7 и 10, отличающийся тем, что при укладке петель скрещения стержней располагают симметрично относительно оси соответствующего опорного элемента.

15. Способ по пп.1 и 7, отличающийся тем, что скрещения стержней располагают асимметрично относительно оси соответствующего опорного элемента путем смещения по меньшей мере одной петли.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что скрещения стержней располагают асимметрично относительно оси соответствующего опорного элемента путем укладки по меньшей мере одной петли, длина которой отличается от остальных.

17. Способ по пп.1 3 и 14, отличающийся тем, что скрещения стержней выполняют симметричным относительно плоскости, расположенной поперек витков образованных петель и не пересекающей ни один из опорных элементов.

18. Способ по пп.1 3, 14 и 17, отличающийся тем, что скрещения стержней выполняют симметричным относительно центра образованных петель, который не лежит внутри ни одного из опорных элементов.

19. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что вводят по меньшей мере один замкнутый дополнительный стержень, располагая его вдоль витков образованных ранее петель с регулярным чередованием проходов по обе стороны стержня, образующего смежные петли.

20. Способ по пп.1 16, отличающийся тем, что петли образуют из стержней в виде полых трубок.

21. Способ по пп.1 16, отличающийся тем, что петли образуют из конусных стержней, которые стыкуют так, что тонкие концевые части конусных стержней укладывают в направлении геометрического центра опорного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25