Ячеистая конструкция и устройство на ее основе
Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к ячеистым (сотовым) конструкциям. Ячеистая конструкция содержит по меньшей мере один ячеистый блок, выполненный из ячеек гексагональной формы. Ячейки соединены друг с другом боковыми гранями посредством петель двойного действия. Блок содержит одну центральную ячейку, окруженную шестью периферийными ячейками, и снабжен приводом, расположенным в центральной ячейке и выполненным в виде кулачково-рычажного механизма. Устройство на основе ячеистой конструкции содержит по меньшей мере один ряд вышеуказанных ячеистых блоков. Достигается упрощение изменения формы поверхности. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.
Настоящая группа изобретений относится к ячеистым (сотовым) конструкциям и может быть использована в различных отраслях промышленности в качестве самостоятельного изделия или объемного сотового заполнителя различных конструкций при изготовлении изделий сложной кривизны, например, для изготовления строительных деталей, для декоративных панелей, для осветительных приборов.
В настоящее время известны различные ячеистые (сотовые) конструкции (структуры), которые находят применение в конструкциях летательных аппаратов, в строительстве, судостроении, а также в производстве товаров декоративного назначения.
Известна сотовая структура, сформированная из множества сот, расположенных рядами, содержащая соты, имеющие боковые стенки, примыкающие друг к другу в виде кольца и ограниченные в направлении открытых сторон сот плоскостями покрывающих слоев, где соты перекрыты полностью или частично одной или другой из плоскостей покрывающих слоев; при этом сотовая структура сформирована из, по существу, неразрезанного плоского тела; при этом сотовая структура имеет множество трехмерных структур, сформированных пластической деформацией, и соединительных участков, сформированных пластической деформацией; при этом соединительные участки в сотовой структуре расположены в одной или другой из плоскостей покрывающих слоев (патент RU 2373057 C1, опубликовано 20.11.2009г.).
Известна ячеистая структура, содержащая множество удлиненных пластмассовых полос, каждая пара полос соединена сварными швами на соединительных участках; одна полоса в каждой паре приварена к полосе смежной пары в местах, расположенных между сварными швами этой пары полос и образующих непарные соединительные участки, а полосы могут быть вытянуты в ширину с образованием единой решетки из ячеек. При этом полосы образуют стенки ячеек, каждая стенка ячейки имеет открытую площадь из-за множества отверстий, каждое из отверстий имеет диаметр приблизительно от 3 до 17 мм, а множество отверстий расположены в соответствии с конфигурацией, имеющей горизонтальное расстояние D3 между отверстиями, ближайшими к непарному соединительному участку и лежащими по разные стороны от него; горизонтальное расстояние D4 между центрами отдельных отверстий; вертикальное расстояние D5 между центрами отдельных отверстий; вертикальное расстояние D6 между отверстиями, расположенными в середине стенки ячейки; горизонтальное расстояние D9 от вертикального края стенки до непарного соединительного участка; причем общая площадь отверстий в одной стенки ячейки в указанной конфигурации составляет приблизительно от 19 до 28% от общей площади стенки ячейки (патент RU 2196864 C1, опубликовано 20.01.2003г.).
Известна решетчатая волокнистая конструкция, содержащая решетку из многоугольных ячеек-модулей, содержащих, по меньшей мере, три u-образных ребра, изготовленных из волокнистого композиционного слоя и пенопластовой основы, обеспеченной внутри каждой ячейки-модуля для поддержки u-образных ребер. Пенопластовая основа вдоль основания расположена на одной линии с одной из плоских покрывающих секций. По меньшей мере, один слой полос обеспечивается снаружи плоских покрывающих секций, и наружный лист односторонне прикрепляется к ячейкам-модулям на одной линии с одной из плоских покрывающих секций (патент RU 2553303 C1, опубликовано 10.06.2015г.).
Известна сотовая конструкция, используемая в звукопоглощающей панели для гондолы турбореактивного двигателя и содержащая, по меньшей мере, один сотовый блок, причем каждый сотовый блок содержит, по меньшей мере, один средний лист и два крайних листа, причем указанная сотовая конструкция имеет поверхность, которая, по существу, представляет собой поверхность вращения, причем указанная поверхность образована соединением встык крайних листов одного или нескольких сотовых блоков посредством соединительных площадок, расположение которых обеспечивает формирование сотовых ячеек (патент RU 2477223 C2, опубликовано 10.03.2013г.).
Известные ячеистые сотовые конструкции направлены на решение узкоспециализированных задач в отдельных областях техники, например, в авиастроении для создания звукопоглощающих панелей для турбореактивных двигателей, в строительстве дорог для увеличения нагрузочной способности дорожного полотна и сопротивления эрозии материалов, в строительстве сооружений – для усиления фундаментов и придания им жесткости.
Кроме того, известные сотовые конструкции обладают большой сложностью, обусловленной наличием большого количества звеньев и элементов конструкции и, как следствие, сложностью в эксплуатации.
Настоящая группа изобретений относится к ячеистой конструкции с сотовыми (гексагональными) ячейками и устройству на основе ячеистой конструкции, которые благодаря изменению формы и изгиба (кривизны) ячеистых конструкций (т.е. изменению положения ячеек друг относительно друга), позволяют управлять формой изделий, содержащих заявленные ячеистые конструкции.
Известны гексагональные сотовые структуры, содержащие множество ячеек гексагональной формы, каждая из которых окружена шестью гексагональными ячейками, при этом ячейки структуры жестко соединены друг с другом (например, US2007148406 (A1), опубликовано 28.06.2007г.; JPS63309433 (A), опубликовано 16.12.1988г.; CN101801659 (A), опубликовано 11.08.2010г.)
Основным недостатком известных сотовых структур является жесткое сочленение гексагональных ячеек, отсутствие подвижности гексагональных ячеек друг относительно друга, приводящее к низкой надежности всей структуры.
Известна ячеистая конструкция, сформированная шарнирным сочленением модулей, представляющих собой две малые пластины, имеющие на противоположных гранях оси, и две несущие большие пластины, имеющие с одного торца оси, соразмерные с осями малых пластин, и жёстко закреплённые упругие проушины с осевыми отверстиями под оси, при этом каждые четыре проушины, сопрягаемые с осями малых пластин, разнесены попарно и выставлены по противоположным сторонам больших пластин перпендикулярно их плоскости, две другие проушины выставлены поперёк на торце пластины, противоположном торцу с осью, с возможностью сборки элементов в модуль по шарнирным сочленениям оси - осевые отверстия сопряжённых проушин в обеспечение возможности реверсивного изменения кривизны ячеистой конструкции, изменения своей изначальной плоской формы на криволинейную при механическом воздействии (патент RU 173383 U21 опубликовано 24.08.2017г.).
К недостатку известного аналога можно отнести низкую надежность и нестабильность криволинейной формы изделий с использованием известной ячеистой конструкции, отсутствие возможности управления формой ячеистой конструкции.
В качестве наиболее близкого технического решения выбрана ячеистая конструкция, содержащая группу элементарных ячеек с каждой элементарной ячейкой, имеющей сотовую геометрию, группа элементарных ячеек, сформированных из материала переменной жесткости (VSM), где VSM имеет первое состояние жесткости и второе состояние жесткости, и где ячеистая структура имеет первую форму и вторую форму с градацией форм между первой формой и второй формой и где переход от первой формы ко второй форме происходит с использованием сигнала срабатывания для приведения в действие VSM из первого состояния жесткости во второе состояние жесткости для изменения жесткости клеточной структуры, тем самым позволяя деформировать структуру ячеек от первой формы до второй формы и любую форму между ними; причем каждая клетка в клеточной структуре имеет клеточную стенку, имеющую свойство градации в жесткости, так что клеточная стенка имеет внутренний материал постоянной внутренней жесткости, который зажат между, по меньшей мере, двумя слоями внешнего материала, образованного материалом переменной жесткости. Каждая ячейка имеет множество ребер, а клеточная структура деформирована от первой формы до второй формы с использованием внешней системы деформации, причем внешняя система деформации является исполнительным механизмом (приводом), так что привод может использоваться для смещения к краям клеточной структуры для изменения формы клеточной структуры и при этом исполнительный механизм выбирают из группы электромагнитного двигателя, гидравлического цилиндра, пневматического цилиндра и ультразвукового пьезоэлектрического двигателя (патент на изобретение US7678440 В1, опубликовано 16.03.2010г.).
Недостатком ближайшего аналога является то, что он имеет большую сложность и невысокую технологичность изготовления, связанную со сложностью привода.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается заявляемым изобретением, является расширение функциональных возможностей ячеистой конструкции за счёт того, что ячейки в конструкции становятся подвижными, и возможность их перемещения обеспечивается простым в исполнении приводом, выполненным в виде кулачково-рычажного механизма, конструкция которого позволяет осуществлять изменение одного вида движения в другой (вращательного движения в колебательное) за счет применения новой формы поверхности контакта кулачка и рычажных элементов, а также позволяет сохранять форму конструкции после деформации.
Технический результат, получаемый при использовании заявляемой группы изобретений, заключается в повышении надежности перемещения ячеек, и, соответственно, повышение надежности изменения формы и изгиба (кривизны) ячеистых конструкций и фиксации этих изменений, и упрощение управления формой изделий, содержащих заявленные ячеистые конструкции.
Технический результат заключается также в получении изделий со сложной кривизной поверхности.
В соответствии с пунктом 1 формулы изобретения технический результат достигается тем, что в ячеистой конструкции, содержащей, по меньшей мере, один ячеистый блок, выполненный из ячеек гексагональной формы, содержащий одну центральную ячейку, окруженную шестью периферийными ячейками, и снабженный приводом, согласно изобретению центральная ячейка соединена посредством петель двойного действия шестью боковыми гранями с периферийными ячейками, а периферийные ячейки соединены посредством петель двойного действия, по меньшей мере, двумя боковыми гранями с периферийными ячейками, а привод расположен в центральной ячейке и выполнен в виде кулачково-рычажного механизма, содержащего установленный с возможностью вращения вал с кулачком, имеющим криволинейный рабочий профиль с разверткой в виде периодической кривой, при этом в, по меньшей мере, двух противоположно расположенных боковых гранях центральной ячейки выполнено по пазу, в каждом из которых установлен выполненный с возможностью взаимодействия с рабочим профилем кулачка и подпружиненный в направлении к кулачку рычаг, один конец которого жестко соединен с боковой гранью примыкающей периферической ячейки.
В соответствии с пунктом 2 формулы изобретения технический результат достигается тем, что устройство согласно изобретению, содержащее, по меньшей мере, один ряд ячеистых блоков, при этом, по меньшей мере, одна центральная ячейка снабжена приводом, выполненным по пункту 1, и соединена посредством петель двойного действия шестью боковыми гранями с периферийными ячейками блока, а периферийные ячейки соединены посредством петель двойного действия с периферийными ячейками одного блока двумя боковыми гранями, а с периферийными ячейками соседних блоков ряда двумя другими боковыми гранями.
Настоящая группа изобретений поясняется чертежами (фиг. 1-7), пример выполнения ячеистой конструкции и устройства на ее основе на которых, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения заявленного технического результата.
На фигурах 1-3 представлены поперечные разрезы кулачково-рычажного механизма в фазах подъема рычагов, в промежуточном положении рычагов и в фазе опускания рычагов, на фигуре 4 представлено трехмерное изображение кулачка, на фиг. 5 изображен ячеистый блок, на фиг. 6 изображено соединение ячеек посредством петли двойного действия, на фиг. 7 представлено устройство на основе ячеистой конструкции.
Согласно изобретению ячеистая конструкция содержит, по меньшей мере, один ячеистый блок 1 (фиг. 5). Ячеистый блок 1 выполнен из ячеек гексагональной формы, которые соединены друг с другом боковыми гранями 2. Боковые грани 2 ячеек соединены друг с другом посредством петель 3 двойного действия (фиг. 6). Блок 1 содержит одну центральную ячейку 4, расположенную в центре шести периферийных ячеек 5 (фиг. 5, 7).
Соединение ячеек в блоке 1 происходит следующим образом: центральная ячейка 4 соединена посредством петель 3 двойного действия шестью боковыми гранями 2 с периферийными ячейками 5, а периферийные ячейки 5 соединены посредством петель 3 двойного действия, по меньшей мере, двумя боковыми гранями с периферийными ячейками 5. Причем в одном блоке периферийные ячейки соединены двумя боковыми гранями с окружающими центральную ячейку периферийными ячейками. Если блоков несколько, то периферийные ячейки блоков связаны по трем граням.
Блок 1 снабжен приводом 6, который приводит в движение ячейки. Привод 6 расположен в центральной ячейке 4 и выполнен в виде кулачково-рычажного механизма (фиг. 1-4).
Кулачково-рычажный механизм содержит корпус 7 с отверстием 8. Корпусом 7 для кулачково-рычажного механизма служит центральная ячейка 4. В отверстие 8 установлен с возможностью вращения вал 9 с кулачком 10, имеющим криволинейный рабочий профиль 11 (фиг. 1-4). В боковых гранях 2 ячейки 4 выполнено, по меньшей мере, два паза 12 и 13, в которых установлены выполненные с возможностью взаимодействия с рабочим профилем 11 кулачка 10. В каждом пазе установлены подпружиненные гибким элементом 14 в направлении к кулачку 10, по меньшей мере, два рычага 15 и 16 (фиг. 2-5). Один конец 17 и 18 каждого рычага 15 и 16 жестко соединен с боковой гранью соответствующей периферийной ячейки 5. Развертка рабочего профиля 11 кулачка 10 выполнена в виде периодической кривой.
Заявляемое устройство на основе ячеистой конструкции содержит, по меньшей мере, один ряд ячеистых блоков 1, при этом, по меньшей мере, одна гексагональная центральная ячейка 4 снабжена приводом 6 (фиг. 7). Центральная ячейка 4 соединена посредством петель 3 двойного действия своими шестью боковыми гранями 2 с периферийными ячейками 5, а периферийные ячейки 5 в ряду блоков соединены с соседними периферийными ячейками 5 одного блока посредством петель 3 двойного действия двумя боковыми гранями 2, а с соседними периферийными ячейками 5 другого блока посредством петель 3 двумя другими боковыми гранями. Благодаря такому соединению ячеек в устройстве не все боковые грани имеют петли и образуют взаимосвязанные ячейки, а появляются элементы ячеек, которые условно можно назвать «пустотами» и которые выполняют компенсирующие функции при смещении ячеек в устройстве при движении кулачково-рычажного механизма, т.е. позволяют образовывать впадины и бугры.
Кулачково-рычажный механизм работает следующим образом.
При сообщении движения валу 9 установленный на нем кулачок 10 взаимодействует рабочим профилем 11 с двумя рычагами 15 и 16 и сообщает им колебательное движение, которое передается на ячейки и приводит к изменению пространственного положения ячеек в блоке 1 относительно друг друга на определенный угол. В силу особенностей геометрии сочетания шестигранных ячеек в блоке из семи ячеек, изменяющих положение можно наблюдать синхронное изменение положения ячеек, в том числе и тех, которые не имеют непосредственной связи с рычагами 15 и 16.
Таким образом, через управление приводами шестигранной ячеистой структуры, расположенными согласно схеме (фиг.7), достигается возможность фиксировать и синхронно изменять пространственное положение структуры исходя из задач прикладного её использования.
1. Ячеистая конструкция, содержащая по меньшей мере один ячеистый блок, выполненный из ячеек гексагональной формы, содержащий одну центральную ячейку, окруженную шестью периферийными ячейками, и снабженный приводом, отличающаяся тем, что центральная ячейка соединена посредством петель двойного действия шестью боковыми гранями с периферийными ячейками, а периферийные ячейки соединены посредством петель двойного действия по меньшей мере двумя боковыми гранями с периферийными ячейками, а привод расположен в центральной ячейке и выполнен в виде кулачково-рычажного механизма, содержащего установленный с возможностью вращения вал с кулачком, имеющим криволинейный рабочий профиль с разверткой в виде периодической кривой, при этом в по меньшей мере двух противоположно расположенных боковых гранях центральной ячейки выполнено по пазу, в каждом из которых установлен выполненный с возможностью взаимодействия с рабочим профилем кулачка и подпружиненный в направлении к кулачку рычаг, один конец которого жестко соединен с боковой гранью примыкающей периферической ячейки.
2. Устройство, содержащее по меньшей мере один ряд ячеистых блоков, выполненных по п. 1, при этом по меньшей мере одна центральная ячейка снабжена приводом, выполненным по п. 1, и соединена посредством петель двойного действия шестью боковыми гранями с периферийными ячейками блока, а периферийные ячейки соединены посредством петель двойного действия с периферийными ячейками одного блока двумя боковыми гранями, а с периферийными ячейками соседних блоков ряда - двумя другими боковыми гранями.
