CN103813960A - 可卷绕且可延伸的构件和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可延伸构件（10），该可延伸构件能在卷绕形式（11）与延伸形式（12）之间配置。该可延伸构件（10）包括：主构件（14），包括呈缝管形式的弹性偏压的材料片，其中该缝管能在狭缝处向外打开，以呈现打开形式，在该打开形式中，该缝管具有扁平截面；至少一个弹性次构件（15），具有第一连接部和第二连接部，该第一连接部和第二连接部在主构件（14）上的相应不同周向位置处连接至主构件（14），其中在延伸形式中，主构件（14）呈其缝管形式，并且次构件（15）的弹性导致次构件（15）的至少一部分朝向主构件（14）中的狭缝位移，以向主构件（14）提供扭转刚度和轴向刚度，并且其中在卷绕形式（11）中，主构件（14）呈其打开形式并且次构件（15）适于主构件（149的扁平截面，使得主构件和次构件能共同卷绕。还提供了对应的方法。

Description

可卷绕且可延伸的构件和方法

本发明涉及一种可在卷绕形式与延伸形式之间配置的可延伸构件、制造可在卷绕形式与延伸形式之间配置的可延伸构件的方法、部署可延伸构件的方法、以及提供管道的方法。

狭缝管状可延伸构件（STEM）（或有时称为“可存储管状可延伸构件”）是这样的装置，其包括弹性材料带，该弹性材料条形成为可重叠或可不重叠的弯曲段中，从而形成整体或部分的管状结构，且该装置可沿大致垂直于管轴线的轴线卷绕以用于存储或运输或者作为线性致动的装置。它们本质上是木匠金属卷尺的改进，其中这样的卷尺的特有微小曲率被增加以朝向更完全的管状段的对向（subtend）一较大角度。它们一般由不锈钢薄带或铍铜合金薄带制造。这样的构件在下文中将简称为“简单STEM”。

“Iqbal K.、Pellegrino S.和Daton-Lovett A.J.(1998)(DeployableComposite Slit Tubes”Proceedings of the IUTAMTASS Symposium onDeployable Structures,Cambridge,UK,6-9September)中描述了另一类STEM。一般为本领域的从业人员已知为双稳态卷绕复合材料（BRC）的这些STEM在具有工程常数（engineering constant）（特别是制造这些STEM的材料的泊松比和各向同性）方面不同于其他类，这些STEM以这样的方式设计以致这些STEM随着原始曲率变直而自发形成卷。这些STEM通常以这样的方式设计以致延伸形式和卷绕形式两者均将是稳定的，从而除去对于用于存储、运输等的限制卷绕形式的需要。这些STEM相比于“简单”STEM还具有显著的优点，即，能够以显著较高的厚度与曲率半径比来制造，从而显著增加这些STEM扭转刚度。不像简单STEM，BRC的局部工程常数的操纵允许生产这样的STEM，所述STEM在截面中不是圆形或平滑弯曲的并且可延伸形成简单或复杂的弯曲构件，除简单STEM的典型笔直延伸部以外。图1示出这样的装置的典型形式。

由于STEM结构的狭缝性质的结果，与欧拉管相比，STEM表现出在扭转刚度和弯曲刚度方面的弱点。弯曲刚度的缺乏可通过在延伸时重叠该构件侧面的一部分来补偿。一旦实现某种程度的重叠，延伸的结构将变得惯性平衡（Rimrott F.P.J.(1995)“Stem Shells”Peter E Glockner,Fetschrift,Calgary,Canada）。然而，该方案具有这样的缺点，即，在卷绕过程中增加该构件中的峰值应变，这导致使得可实现的厚度与曲率半径比降低并且使得装置的循环寿命降低。该缺点在BRC中特别显著，因为它们通常具有较高的厚度与曲率半径比，并且因该它们在卷绕过程中具有较高峰值应变。该方案也意味着在卷绕时该构件的宽度增加。这具有降低延伸体积与包装体积比的缺点，较大的延伸体积与包装体积比是这样的设备的主要优点。

然而，这样的重叠对STEM的不足的扭转刚度无显著影响。已设计多种机构来补偿该扭转刚度的缺乏。这些机构中最常见的是呈这样的方式的STEM边缘的雉堞（castellation）以致允许该雉堞在延伸部上互锁。可替换地，已经提出使用从STEM一边缘突出的突片（protruding tab），该突片在延伸部上与设置在该STEM的面中的孔互锁。这些机构中的第一种排除在该STEM中产生惯性平衡所需的大量重叠。而第二种允许大量重叠既增加该装置的复杂性并且引入减少其循环寿命的应力集中。这些机构还要求引导机构确保互锁，从而增加了完成的机构的尺寸和重量并且引入故障的进一步可能性。

因为具有低扭转刚度，拉链机构（zip mechanism）并未很好地起作用。该拉链允许边缘之间的少量相对轴向滑动，所述轴向滑动导致二次失效模式。

由DLR（德国航空航天中心）做出进一步尝试以提供具有增加扭转刚度的可卷绕构件。在该设计中，构件100在延伸时具有透镜状截面，如图2A所示。构件100在该形式中是稳定的并且在该形式中没有残余应力。构件100受力而扁平以允许其卷绕，如图2B所示。为了制作构件100，由碳纤维增强塑料形成两个半透镜状构件101、102。这些构件101、102的相对的边缘103在同一平面上。构件101、102背对背布置，使得边缘103彼该抵接，然后这些边缘结合104在一起以形成该构件。该构件的缺点是透镜状形状从根本上不如欧拉管状构件强固。这些结构已主要用于空间探索应用中，其中不期望这些结构承受显著的轴向应力/应变。该布置的另一缺点是当卷绕时该构件具有高的残余应力。两个构件101、102的路径长度差异倾向于产生翘曲，从而缩短该构件的寿命。

根据本发明的第一方面提供了一种可延伸构件，该可延伸构件可在卷绕形式和延伸形式之间配置，包括：

主构件，其包括呈缝管形式的弹性偏压的材料带，其中该缝管可在狭缝处向外打开，以呈现其中主构件具有扁平截面的打开形式；

至少一个弹性次构件，具有在主构件上相应不同周向位置处连接至该主构件的第一连接部和第二连接部，

其中在延伸形式中，该主构件呈其缝管形式并且次构件的弹性导致次构件的至少一部分朝向该主构件中的狭缝位移，以向该主构件提供扭转刚度和轴向刚度，并且

其中在卷绕形式中，该主构件呈其打开形式且次构件适配于（conformto）该主构件的扁平截面，使得主构件与次构件可共同卷绕。

通常的缝管由于这样的事实而显著弱化，即，狭缝沿其长度延伸从而允许形成狭缝的两个边缘相对于彼此移动。通过提供次构件以向主构件提供扭转刚度和轴向刚度，从而提供更坚固的STEM，本发明解决了该问题。主构件和次构件的布置使得可延伸构件仍然能够被卷绕，该优势存在于能够以更紧凑的形式装载该构件等。在不同周向位置处（当主构件处于管状形式时）的次构件与主构件之间的两个连接部以及部分或全部次构件朝向狭缝的位移意味着次构件在主构件的各边缘之间充当桥梁（优选地靠近跨越狭缝），从而支撑主构件且提供扭转刚度和轴向刚度。当主构件呈现其管状形式时，次构件优选以弯曲形式被弹性偏压，以朝向狭缝位移。

主构件与次构件之间的连接优选地在次构件的长度上延伸并且优选在次构件的两边缘处。

在实施例中，主构件在截面具有平滑曲线，即其曲率围绕其周长不存在不连续性（除了狭缝），并且在一些优选实施例中其曲率不具有拐点（inflection）。例如，管为大体圆形、卵圆形、椭圆形、卵形或具有局部扁平部分的这些形状中的任一个（诸如涡卷形状）。优选地管对向至少180度的角度，并且更优选地对向至少270度的角度。在优选实施例中，狭缝对向相对小的角度并且管接近封闭，例如，管对向330度与360度之间的角度。在一些优选实施例中，管可对向360度以上的角度，其中主构件的边缘限定彼该重叠的狭缝。

原则上，主构件可对向几乎任何角度。无论使用何种角度，一般优选的是，主构件沿轴线比次构件显著地更为强固，因为随着主构件延伸/卷绕，次构件必须相对于主构件延伸/压缩；并且同样一般优选的是，主构件是高度各向同性的，具有基本高于其45度模量的轴向模量，该45度模量是控制有助于形成强固结构的扭转刚度的模量。

优选地，到次构件的连接部位于主构件内，使得主构件的边缘周向地延伸超过该连接部。

主构件和次构件一般是“薄的”，从而允许它们更容易卷绕在一起，其中次构件位于主构件卷的间隙中。主构件的边缘（一般在该构件的延伸方向延伸）重叠、接触或留下间隙，从而在管中形成狭缝。边缘优选是笔直且平行的。次构件到主构件的连接部优选地彼此平行并且在延伸方向上沿次构件延伸。

优选地，该构件可在卷绕形式与延伸形式之间逆配置。

在实施例中，可延伸构件可由卷绕形式逐步变化成延伸形式。这允许该构件从其卷绕形式逐步延伸到所需长度。

在实施例中，主构件和次构件在第一连接部与第二连接部之间的宽度是相同的。这有助于主构件和次构件紧靠彼此扁平放置，并且有助于卷绕。

在实施例中，次构件连接至主构件的内表面。

在实施例中，次构件具有至少一个这样的部分，该部分在延伸时基本上不具有残余轴向力并且具有的轴向可压缩性显著高于主构件的轴向可压缩性，从而允许其经受（tolerate，容许）源于由卷绕产生的路径差的应变而不发生失效。

在实施例中，次构件具有至少一个这样的部分，该部分在卷绕时基本上不具有残余轴向力并且具有的轴向弹性显著高于主构件，从而允许其经受源于由延伸产生的路径差的应变而不发生失效。

在实施例中，次构件具有至少一个这样的部分，该部分在具有的曲率半径在其卷绕状态与其延伸状态之间时基本上不具有残余轴向力，该次构件具有高的轴向可压缩性和/或高的轴向弹性。

在实施例中，当可延伸构件延伸时，次构件通过连接点在主构件上施加净力，并且连接点定位在主构件的惯性轴线上或与之靠近，使得作用在延伸构件上的力矩是平衡的以防止该构件的弯曲。

当放置在延伸时受负载的（例如，在张力下）连接部并且这不是在延伸的STEM的惯性中心处（由于狭缝，连接部将不沿该STEM的几何轴线定位，除非STEM具有大的重叠）的情况下，则拉伸力将倾向于迫使STEM变成曲线。通过将附接点移动至STEM的惯性中心而非几何中心，可平衡该拉伸力，使得该拉伸力不沿该STEM的轴线施加净力矩。因此STEM变得笔直。

在实施例中，当可延伸构件延伸时，次构件通过连接点在主构件上施加净力，且连接点从缝管的惯性轴线偏离，使得净力矩作用在该构件上以实现该构件的预定弯曲。

通过刻意移动附接点远离惯性中心，可以使得净拉伸载荷传递至该惯性中心的一侧或另一侧的方式使STEM延伸，从而使该STEM在延伸时是弯曲的。对于压缩载荷的情况，以其他方式移动该附接点。

在实施例中，该构件包括多个次构件，所述次构件接合在沿主构件长度的多个区段中。在次构件的各区段之间形成的间隙允许在该间隙中缓解次构件上的净应变，以防止次构件在卷绕时的翘曲。次构件仍然需要在足够长的区段中，以向管提供扭转刚度和轴向刚度。这在某种程度上将依据管的形式和应用。在优选实施例中，各区段的长度至少为主构件的最大直径并且更优选为主构件最大直径的两倍。在优选实施例中，各区段的长度至少为该构件在以最小半径卷绕时的360度的长度。

在实施例中，沿次构件的长度前进，次构件具有相对较高的轴向柔性部分和相对较低的轴向柔性部分。较低轴向柔性部分允许次构件所经受的应变在这些部分中消散而不发生翘曲，同时次构件的较硬部分还有助于主构件上的支撑作用。

在实施例中，次构件具有自然的卷绕倾向。这给出了在次构件不发生翘曲的情况下使主构件于次构件共同卷绕的另一种技术。

在实施例中，主构件是双稳态的，具有呈延伸管状形式的第一双稳态状态和呈卷绕形式的第二双稳态状态。这允许可延伸构件在卷绕状态和延伸状态中稳定，使得较少能量存储在卷绕构件中并且减少或消除保持该构件卷绕所需的力。

在实施例中，次构件在延伸形式和卷绕形式中是双稳态的。双稳态的次构件也允许较少能量存储在卷绕构件中。

在实施例中，主构件与次构件之间的一个或所有连接部包括铰接件或弹柔性部分。一般地，铰接件越为柔性，主构件与次构件之间可形成的小曲率半径越小，该铰接件优选地为在延伸时使次构件可靠近主构件放置的理想的地方，该铰接件向该构件提供高扭转稳定性。然而，该布置导致在铰接区域上的较高应变。因此，在一些实施例中，可能需要具有较高曲率半径，以减少应变和增加该构件的操作寿命。

在实施例中，次构件与主构件之间的一个或所有连接部为单独形成或与次构件整体形成的弹柔性部分。

根据本发明的第二方面提供了制造可延伸构件的方法，该可延伸构件可在卷绕形式与延伸形式之间配置，该方法包括：

在主构件上的第一和第二不同周向位置处将至少一个弹性次构件连接至主构件，

其中主构件包括呈缝管形式的弹性偏压的材料带，其中该缝管可在狭缝处向外打开以呈现其中具有扁平截面的打开形式；

其中在延伸形式中，主构件呈其缝管形式，并且次构件的弹性导致次构件的至少一部分朝向主构件中的狭缝位移，以向主构件提供扭转刚度和轴向刚度，并且

其中在卷绕形式中，主构件呈其打开形式，并且次构件适于主构件的扁平截面，使得主构件与次构件可共同卷绕。

在实施例中，第一构件与第二构件之间的间隙空间沿该构件的部分或全部长度密封并且具有开口，通过该开口可对所密封的间隙空间供应流体压力。

根据本发明的第三方面，提供了部署如上所述的可延伸构件的方法，该方法包括施对开口加流体压力以使得流体进入所密封的间隙空间，从而使可延伸构件延伸。

通过对在主构件与次构件之间形成的间隙空间施加流体压力（例如通过对开口施加气体或液体），这提供了延伸该构件的简单且方便的方式。所密封的间隙空间形成“室（pocket）”，该室通过流体压力引起“膨胀”至其管状形式并且从而使该构件延伸。

优选地，第一构件与第二构件之间的间隙空间沿该构件的部分或全部长度被密封，并且在沿该构件长度的不同位置处具有第一开口和第二开口。

根据本发明的第四方面，提供了提供管道的方法，该方法包括：使如上所述的可延伸构件延伸，使得在第一开口和第二开口之间形成管道，通过该管道，可在第一开口与第二开口之间引导物料。

这提供了输送物料的方便方法。原则上，物料可为任何流体（即在压力下供应至第一开口的液体或气体）、或诸如颗粒物料的可流动物料、或其他合适的物料。

应当理解的是，在本文中如“在一个实施例中”提供的或“优选的”所表达的任何特征，可结合任何一个或多个其他这样的特征连同本发明的任何一个或多个方面来提供。

现在将参照附图以实例的方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出卷绕的可延伸构件的实例；

图2A和图2B以截面分别示出现有技术可延伸构件的延伸部分和卷绕部分；

图3示出根据本发明实施例的可延伸构件的实例；

图4A以截面示出根据本发明实施例的可卷绕可延伸构件实例的延伸部分；

图4B以截面示出根据本发明实施例的可卷绕可延伸构件实例的卷绕部分；

图5示出翘曲（buckling）如何出现在可延伸构件中的实例；

图6以截面示出根据本发明实施例的构件的另一实例的延伸部分；并且

图7示出根据本发明实施例的构件的又一实例的延伸部分。

图3示出根据本发明实施例的可延伸构件10的实例。可延伸构件10包括卷绕部分11、延伸部分12和过渡部分13，在该过渡部分中构件10经历从其卷绕形式11到其延伸形式12的过渡。构件10包括主构件14，该主构件沿其长度连续地或间歇地接合至一个或多个次构件15。

主构件14包括弹性偏压形成缝管的材料片。该延伸构件为带有狭缝的管的形式，该狭缝沿管的长度轴向地延伸，其允许主构件在该狭缝处向外打开成用于卷绕的扁平形式。

主构件14可由例如金属板或复合结构制成。优选地，主构件14由坚韧的弹性板制成，以防止损坏。在优选实施例中，该主构件由双稳态材料形成，使得该主构件在延伸时和在卷绕时具有稳定形式，并且因此需要较小的力来保持构件10处于卷绕形式。

在本实例中，如由图4A最清楚示出的，当延伸时主构件14的截面大体是圆形的并且主构件14的边缘16不相接，这意味着该截面在其中具有间隙。然而，如本领域技术人员在本公开的教导下将理解的，主构件14可具有非圆的截面，并且可具有其中边缘“闭合”（例如以形成完整的圆）或重叠（即其中该构件对向多于360度的角度）的截面。

为了加强扭转中的主构件14，设置一个或多个次构件15，以用某种方式接合主构件14的两侧，以“关闭”该构件形成单一中空构件，该单一中空构件的实例在以下描述中给出。

如由图4A和图4B的截面图最清楚示出的，该或每个次构件14、15在两个周向附接点17处结合于主构件14（当在截面中看时）。次构件15具有弹性弯曲部分。次构件15通过两个铰接机构17附接至主构件14，这两个铰接机构允许次构件15沿主构件14的轴线相对于主构件14铰接。当构件10延伸时，主构件14形成缝管并且次构件15朝向主构件14的有狭缝的弯曲的表面位移。因此，次构件15“桥接（bridge）”所述主构件14的狭缝而形成“单一中空构件”。当未部署时，主构件14在该狭缝处扁平向外打开，并且该铰接件17允许次构件15抵靠主构件14扁平放置并且因此与所述主构件14共同卷绕。

为了允许次构件15在延伸时朝向主构件14中的狭缝位移并且在卷绕时抵靠主构件扁平放置，在主构件与次构件之间设置某种形式的柔性接合件。如所描述的，可使用铰接机构17或可替代地柔性带。这允许次构件15相对于主构件14铰接，并实现低曲率半径，从而允许次构件15靠近主构件14的打开部分放置。这给予构件10良好的扭转刚度。然而，该布置可导致作用在该铰接区域上的高应力和应变，该高应力和应变可减少构件10的操作寿命。该铰接机构17或柔性带可与次构件整体形成或者可单独地设置。

回到图4A和图4B的实例，铰接点17在主构件14上定位在主构件14的内表面上的隔开近似180度并与该狭缝等距离的位置处。为了允许构件10容易向外打开成扁平形式，在扁平时次构件15的铰接件17之间的距离应近似等于在扁平时主构件14上的铰接之间的距离。该距离由图4B中的D1示出。主构件14的延伸超过铰接点17的部分具有宽度D2和宽度D3。在该实例中，D2=D3。然而，如下面更详细描述的，铰接点的位置可根据需要变化。

图7示出可延伸构件10的另一实例，该实例具有与图4A和图4B不同的次构件15布置。在图7的实例中，次构件15以靠近主构件14的边缘16的方式附接至主构件。再次，主构件14在连接点之间的宽度（D1）与次构件15在该连接点之间的宽度是相等的，以允许次构件15在卷绕时抵靠主构件14扁平放置。为了使次构件的弯曲部分15a朝向狭缝位移，该次构件在弯曲部分15a与铰接件17之间具有弹性部分15b，该弹性部分可向弯曲部分15a的相反方向弯曲。这些部分具有较高的曲率半径，且因此弯曲部分15a不靠近主构件14放置。然而，这也意味着作用在该铰接区域中和弹性部分15b上的应力和应变较低，这有助于延长构件10的工作寿命。实际上，如果需要的话，铰接17可被全部省略，并且弹性部分15b可单独用于允许弯曲部分15a位移。这可通过以下方式来简化构建，即，允许次构件的边缘部分抵靠主构件的边缘部分粘附或以其他方式固定，从而加强主构件14的靠近狭缝的边缘部分。

可延伸构件10的构建中的重要因素是允许可延伸构件10卷绕而不发生导致任一构件14、15翘曲的主构件14与次构件15之间的路径差，所述翘曲可造成损坏或减少可延伸构件10的寿命。翘曲通常如何发生的实例由图5示出，图5示出了沿构件200的卷绕段的纵向轴线的截面，该构件包括内构件201和外构件202，其中内构件201的曲率半径（r1）小于外构件202的曲率半径（r2），导致内构件201受力翘曲以补偿其较短路径长度。在防止翘曲的同时，构件200必须在环翘曲（或环扭转，或两者）中呈现足够高的模量，以实质性地有益于可延伸构件的弯曲性能和/或扭转性能。

现在描述可解决翘曲的潜在问题的方式的实例。

解决翘曲的一种方式包括提供连续的次构件15，该次构件以这样的方式设计以致该次构件具有足够低的轴向刚度/模量，使得在卷绕和/或延伸构件10时不存在路径差。也就是，次构件15是由这样一种材料制成，该材料的特征是该次构件设计成提供必要的相对低的轴向压缩模量和相对高的轴向压缩断裂应变（strain-to-break），或者相对低的轴向扭转模量和相对高的轴向压缩断裂应变，或者两者（其选择依据下面所讨论的因素），同时表现出相对高的轴向扭转和环模量。“断裂应变”为材料在失效之前可经受的应变量（作为其原始长度/宽度的百分比）。

在设计方面，这样的材料拥有高度的各向同性性质。次构件15中的这样的特性可通过以下方式产生，例如通过使用由于其分子或晶体结构而表现出这些特征的材料，或者通过使用纤维增强复合材料（以下称为FRP），其中该增强纤维的位置和取向使得产生该类型的各向同性，例如纤维可布设成十字形图案（criss-cross pattern）。可替换地，可使用这样的金属板，该金属板具有冲压于其中以形成十字形图案的孔。这样的技术本身在本领域中是已知的，并且不在本文中详细讨论。产生这样的各向同性材料的其他方法也可证明适于次构件的生产，该次构件适于在本文所述可延伸构件10的生产中使用。

解决翘曲的另一方式包括提供由一材料制成的连续次构件15，该材料的特征设计成沿所述次构件15的轴向长度间歇地改变，使得相对高轴向模量和相对低轴向断裂应变的区域穿插以相对低轴向模量和相对高轴向断裂应变的区域，从而允许在相对低轴向模量和相对高轴向断裂应变的那些区域中缓解来自构件14、15之间的路径差的累积应变。这然后允许可延伸构件10卷绕而不发生路径差引起的翘曲。可使用任何合适的方法来实现该目的。这样的方法可包括但不限于提供厚度间歇变化的次构件15；增强纤维布设的间歇变化，其中次构件15由FRP形成；通过两种或多种具有不同轴向压缩特性（或轴向拉伸特性或者两者）的材料结合在一起来生产连续次构件15；或任何上述技术的组合；或任何其他合适的方法。

解决翘曲的又一方式是沿主构件14的轴线提供由间隙隔开的多个次构件15。这允许在该间隙中缓解来自路径差的累积应变，从而允许可延伸构件10卷绕而不发生由路径差引起的翘曲。然而，应该注意的是，需要为特定长度的可延伸构件以合理长的长度设置次构件15，以保持最佳扭转支承效果。

如果需要的话可组合这三种技术，例如提供具有在第一种情况和第二种情况中描述的特征的多个次构件段。

次构件或构件15可以多种方式附接至主构件。

可使用其中可延伸构件在延伸状态下基本无应力的第一种技术。这可例如通过在构件14、15处于其延伸或伸直形式时使这两个构件结合来实现。在这种情况下，必须设计的是次构件15的轴向压缩模量，以允许卷绕。换句话说，次构件15具有足够的轴向可压缩性，以在没有翘曲的情况下补偿其在卷绕时相对于主构件14被迫遵循的减少的路径长度。

可使用其中可延伸构件10近似在处于卷绕状态的主构件14的半径下基本无应力的第二种技术。这可通过以如构件14、15结合的方式使它们卷绕或局部弯曲来实现。在这种情况下，必须设计的是次构件15的轴向拉伸模量，以便允许卷绕。换句话说，次构件15具有足够的轴向“弹性”以在没有翘曲的情况下补偿该次构件被迫相对于主构件14遵循的增加的路径长度。优选地，可延伸构件10在卷绕形式中在沿其长度的某个点处是无应力的，即诸如在当其中由于较高的曲率而使应力潜在地最大的卷绕时最小功能半径下。甚至更优选的，通过沿其长度适当地改变次构件15的材料性能，可使得延伸构件10沿其大部分或全部长度是无应力的（在下面更详细地描述）。

可使用其中可延伸构件10在处于笔直延伸状态（上述情况1）和卷绕状态（上述情况2）的曲率半径之间的某个曲率半径下无应力的第三种技术。再次，这可通过以如构件14、15结合的方式使它们局部弯曲来实现。在这种情况下，必须设计次构件15的轴向压缩模量和轴向压缩断裂应变以及轴向拉伸模量和轴向拉伸断裂应变两者以便允许卷绕。换句话说，次构件15具有足够的轴向可压缩性以在没有翘曲的情况下补偿该次构件被迫相对于主构件14呈现的不同的路径长度，并且次构件15具有足够的轴向“弹性”以在没有翘曲的情况下补偿该次构件被迫相对于主构件14呈现的不同的路径长度。

如将理解的，卷绕主构件14的半径将随着卷尺寸增加而变化。因此，在当卷绕时STEM自然形成的曲率半径下执行结合（即使用第二种结合技术）的情况下，这意味着STEM将随着卷的数量增加而形成一些轴向和结合应变，即使起初无应变也是如此。关键的是，主构件14同样随着卷尺寸增加而增加其曲率半径。因此，接合应变随着卷尺寸而增加但保持最小，直到卷相对于其自然次半径变得非常大为止。对于第一种技术情况也是如此，但方式相反。第三种技术介于第一种技术与第二种技术之间，其中中性点将在最小卷与延伸形式之间某处。

在卷的长度已知而非仅作为织物来制造的情况下，卷的半径可在附接点处改变，使得在卷绕时在所有点处接合应变均为零（或常数+/-，或按需要以任何其他方式改变）。

还可构想的是沿长度改变次构件15的轴向压缩/拉伸刚度。以这种方式，随着半径改变，可改变可压缩性/可延伸性的程度以匹配局部应变（随着局部曲率变得更大，路径差减小）。

在使用第二种技术和第三种技术时，当构件10延伸时次构件15上的净力为拉伸力并且主构件14上的净力为压缩力。这样的效果是使得在主构件14与次构件15之间产生的连接（例如铰接机构17）是“有负荷的”，即在该连接上作用有净力。这可在该构件的自然弯曲轴线（或惯性轴线线）周围产生接合部，该接合部具有使延伸时的构件10弯曲的倾向。在多种应用中，延伸构件10为笔直的将是理想的。因此，理想的是能够控制接合部在使延伸时的构件10弯曲的影响。为了做到这一点，铰接件17的位置可定位成使得该铰接位于主构件14的自然弯曲轴线上或与之靠近，以生产笔直的惯性平衡的可延伸构件10。

图6示出具有圆形截面的构件10的实例。对于完整的圆形截面（即管中无狭缝）自然弯曲轴线将与穿过该圆中心的几何轴线18近似地重合。然而，管中狭缝的存在弱化了管的该侧，意味着自然弯曲轴线19（或惯性轴线线）进一步远离狭缝产生。为了防止通过铰接17作用的净拉伸力或压缩力产生使构件10弯曲的接合部，连接点17定位成在远离狭缝的方向上从该主构件的几何轴线18偏离，以位于自然弯曲轴线19上或与之靠近。

可替换地，在一些应用中可能理想的是刻意制造弯曲/拱形的延伸构件10。这可通过将铰接点17定位在适当位置以在给定构件10的特定材料特性的情况下按照需要刻意产生使该构件弯曲所必要的接合部来实现。

因此，通过将铰接点17适当地定位，可使作用在构件10上的净力重新平衡以控制构件10延伸时的形式。

设计将与主构件14卷绕的次构件15的另一种方式是提供具有自然的卷绕倾向（即具有固有曲率）的次构件15。这为自然卷绕提供强的倾向，并且这倾向于在处于压缩时迫使次构件向外朝向主构件，其中由于其用作约束的存在而抑制了翘曲。这通过略微不同的方式以具有远离主构件翘曲的自然倾向的材料实现了与改变拉伸/压缩性能相同的结果。

例如，可使用金属或预应力的次构件15，诸如与所谓的“腕敲击器（wrist slapper）”设备一起使用的。这些包括具有自然卷绕倾向的金属带，其具有的折痕是沿该构件的中间冲压或以其他方式形成的，以在截面中形成局部的“V”形状。当延伸成笔直形式（即，只需要非常轻微的力以使该腕敲击器卷绕）时，该折皱为金属带提供“一触即发的（hair-trigger）”稳定性。该构件也可使用复合物实现。在次构件的自然卷绕半径足够紧的情况下，这允许共同卷绕和双稳态性而不会产生轴向应变接合问题。该次构件的轴向刚度是高的，但期望的是该构件由于固有曲率而弯曲。存在允许解决该问题的数学解决方案。

使次构件15与主构件14卷绕而不发生翘曲的又一方式是使得次构件15是双稳态的，即具有负的泊松系数。由于在所有双稳态可卷曲构件中使用相同的力，因而具有负泊松系数的材料可允许生产自动与主构件14共同卷绕的次构件15。在该材料具有负泊松系数的情况下，则当沿其主要轴线向外打开并卷绕时，该材料将自然卷绕，使得凸面和凹面翻转，而不是像在正泊松比材料一样被保持。

在图7的实例中，两个弹性部分15b以在某种意义上与主构件14的曲率半径相同的方式具有其曲率半径。这意味着在主构件14和次构件15的布设满足双稳态的一些主要条件的情况下，主构件和次构件将具有自然的共同卷绕倾向。用于放置布设以产生双稳态的各种技术（例如，增强纤维在组成材料的各种层中的取向）在本领域中是已知的并且在本文不详细讨论。

这些条件在以下情况下是适用的：STEM的材料拥有足够的净泊松比，以当STEM沿其曲率主轴线扁平打开时以相对于该轴线的某个角度产生次曲率；以及该次曲率具有足够大的量级，以赋予STEM源于曲率的刚度，该刚度足以在次弯曲形式时防止该STEM沿其原始的曲率轴线向后弯曲。这些效果可通过操作该材料的各向同性进一步修改。例如，在沿次曲率的轴线压缩中为刚性的材料将形成次曲率，该次曲率小于沿主要曲率轴线为压缩和/或弯曲刚性的拥有相同净泊松比的材料的次曲率，因为源于泊松的力将由于该材料沿次轴线的不可压缩性而被放大。尽管情况并不总是如此，然而对于大部分双稳态构件而言，最优结构将具有最高泊松比的材料朝向STEM的表面放置在一个或两个面上，并且将具有较低泊松比和较高轴向刚度的任何材料朝向该材料平面的中间弯曲轴线放置。这使源于泊松比的效果最大，使得卷动和/或真正双稳态性容易，并且使局部弯曲刚度最小，同时保留延伸STEM的整体刚度。

可延伸构件的制造的重要考量是提供这样一些方法，即，可逆地或不可逆地、连续地或间歇地将主构件的内面与次构件的外面接合在它们之间的重叠区域中。这样的接合将通过延迟所述主构件14的狭缝边缘向外翘曲的发生而进一步增强可延伸构件的性能。这样的方法可包括但不限于使用维克牢搭扣（Velcro）、粘合剂、焊接技术、铆接、螺纹连接、螺栓连接、缝合、钉扎或发现为可适于该目的的任何其他方法。

在一些实施例中，可逆地或不可逆地、连续地或间歇地接合延伸时的主构件14的边缘是理想的。这样的接合将通过延迟所述主构件14的狭缝边缘向外翘曲的发生而进一步增强可延伸构件的性能。这样的方法可包括但不限于使用扣环、维克牢搭扣固定的带、拉链、粘合带、机械闩锁或发现为可适于该目的的任何其他方法。

本发明的性质使得可实现本发明的多种实施例。这些实施例可利用简单的STEM或BRC或其任意组合，并且可利用多种不同生产技术由各种材料生产。现在将连同其生产方法通过说明的方式来描述一个这样的实施例。

在优选实施例中，双稳态可卷绕复合材料（BRC）用于主构件14。这可以对本领域的从业者来说通常的方式来制造，使得该主构件的自然卷绕半径小于考虑到以便与次构件15（该主构件待与该次构件结合）的净压缩模量接合来生产的可延伸构件10的所需卷绕半径，从而生产具有所需最终卷绕半径的可延伸构件10。由纤维增强塑料制造一种外半径等于主构件14的内半径并且扁平宽度等于主构件14内圆周的扁平宽度的一半的弯曲次构件15，其中纤维位于环中且与该轴线成正和负45度的角度，从而产生具有低轴向拉伸和压缩模量以及高轴向和压缩断裂应变但在环和扭转载荷平面中具有相对高模量的构件。然后将一个弹性膜或多个弹性膜或者一条或多条编织布结合于次构件15的表面，以便沿所述次构件15的边缘留下折片（flap）。然后将这些折片沿主构件的轴线结合于主构件14的内表面，从而形成可延伸构件10。

预期的是本发明将在任何领域中证明是实用的，在所述领域中提供可压紧以用于存储或运输的结构是理想的的，或者在所述领域中高延伸线性致动的方法是期望的。这样的应用可包括但不限于提供机械臂、用于天线或照相机或传感器或其他设备的杆、诸如建筑物或桥的暂时或永久结构、或者其中可证明本发明的特征是理想的用于其他用途的任何事物。

可延伸构件10可通过用于部署可延伸构件的任何常规手段来部署（例如通过使用机动线轴来卷绕和/或展开该构件），或者简单地通过手来部署。

在实施例中，可将主构件与次构件之间的间隙空间密封。这允许通过经由开口将加压流体（即气体或液体）布置于在主构件14与次构件15之间形成的间隙空间中来使该构件延伸。该构件可具有固定在开口处的阀或一些其他合适机械附接点以方便引入流体。因此，这提供了构件10的实用的部署方法。

使得构件14、15之间的密封间隙空间在沿间隙空间长度的不同位置处具有开口可提供可具有许多潜在用途的管道。例如，这可用于在开口之间输送气体或流体或一些其他材料。该构件可具有在开口处固定至该构件的阀或其他合适的机械附接点以方便引入材料。因此，在实施例中，本发明可提供可卷绕可延伸的管道或管。

已特别参照所示实例描述了本发明的实施例。然而应当理解的是，在本发明的范围内可对所述实例做出变型和修改。

Claims (21)

1.一种可延伸构件，所述可延伸部件能在卷绕形式与延伸形式之间配置，所述可延伸部件包括：

主构件，包括呈缝管形式的弹性偏压的材料片，其中所述缝管能在狭缝处向外打开，以呈现打开形式，在所述打开形式中，所述缝管具有扁平截面；

至少一个弹性次构件，具有第一连接部和第二连接部，所述第一连接部和所述第二连接部在所述主构件上的相应不同周向位置处连接至所述主构件，

其中，在所述延伸形式中，所述主构件处于其缝管形式，并且所述次构件的弹性使得所述次构件的至少一部分朝向所述主构件中的所述狭缝位移，以向所述主构件提供扭转刚度和轴向刚度，并且

其中，在所述卷绕形式中，所述主构件处于其打开形式，并且所述次构件适配于所述主构件的扁平截面，使得所述主构件与所述次构件能共同卷绕。

2.根据权利要求1所述的可延伸构件，其中，所述可延伸构件能由所述卷绕形式逐渐转变成所述延伸形式。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的可延伸构件，其中，所述主构件在所述第一连接部与所述第二连接部之间的宽度和所述次构件在所述第一连接部与所述第二连接部之间的宽度相同。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的可延伸构件，其中，所述次构件连接至所述主构件的内表面。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的可延伸构件，其中，所述次构件具有至少一个这样的部分，该部分在延伸时基本上不具有残余轴向力，并且该部分具有的轴向可压缩性显著高于所述主构件的轴向可压缩性，从而允许该部分经受源于由卷绕产生的路径差的应变而不发生失效。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的可延伸构件，其中，所述次构件具有至少一个这样的部分，该部分在卷绕时基本上不具有残余轴向力，并且该部分具有的轴向弹性显著高于所述主构件，从而允许该部分经受源于由延伸产生的路径差的应变而不发生失效。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的可延伸构件，其中，所述次构件具有至少一个这样的区段，当所述次构件具有的曲率半径介于所述次构件的卷绕状态与所述次构件的延伸状态之间时，该区段基本上不具有残余轴向力，所述次构件具有高的轴向可压缩性和/或高的轴向弹性。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的可延伸构件，其中，当所述可延伸构件延伸时，所述次构件通过连接点在所述主构件上施加净力，并且其中所述连接点定位在所述主构件的惯性轴线上或靠近所述主构件的惯性轴线，使得作用在所述延伸构件上的力矩是平衡的，以防止所述构件的弯曲。

9.根据权利要求6或权利要求7所述的可延伸构件，其中，当所述可延伸构件延伸时，所述次构件通过所述连接点在所述主构件上施加净力，并且其中所述连接点与缝管构件的惯性轴线偏离，使得净力矩作用在所述构件上，以实现所述构件的预定弯曲。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的可延伸构件，包括多个次构件，所述次构件接合在沿所述主构件长度的多个区段中。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的可延伸构件，其中，沿着所述次构件的长度前进，所述次构件包括具有相对较高轴向柔性的部分和具有相对较低轴向柔性的部分。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的可延伸构件，其中，所述次构件具有自然的卷绕倾向。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的可延伸构件，其中，所述主构件为双稳态的，所述主构件在延伸管状形式中具有第一双稳态状态并且在所述卷绕形式中具有第二双稳态状态。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的可延伸构件，其中，所述次构件在所述延伸形式和所述卷绕形式中均为双稳态的。

15.根据权利要求1至16中任一项所述的可延伸构件，其中，所述主构件与所述次构件之间的一个或所有连接部包括铰接件或弹柔性部分。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的可延伸构件，其中，所述次构件与所述主构件之间的一个或所有连接部为单独形成或与所述次构件整体形成的弹柔性部分。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的可延伸构件，其中，所述第一构件与所述第二构件之间的间隙空间沿所述构件的部分或全部长度被密封，并且所述间隙空间具有一开口，能通过所述开口对密封的所述间隙空间供应流体压力。

18.根据权利要求17所述、根据权利要求1至16中任一项所述的可延伸构件，其中，所述第一构件与所述第二构件之间的所述间隙空间沿所述构件的部分或全部长度被密封，并且所述间隙空间在沿所述构件的长度的不同位置处具有第一开口和第二开口。

19.一种制造可延伸构件的方法，所述可延伸构件能在卷绕形式与延伸形式之间配置，所述方法包括：

在主构件上的第一不同轴向位置处和第二不同轴向位置处将至少一个弹性次构件连接至所述主构件，

其中，所述主构件包括呈缝管形式的弹性偏压的材料片，其中所述缝管能在狭缝处向外打开以呈现打开形式，在所述打开形式中，所述主构件具有扁平截面；

其中，在所述延伸形式中，所述主构件处于其缝管形式，并且所述次构件的弹性使得所述次构件的至少一部分朝向所述主构件中的所述狭缝位移，以向所述主构件提供扭转刚度和轴向刚度，并且

其中，在所述卷绕形式中，所述主构件处于其打开形式，并且所述次构件适配于所述主构件的扁平截面，使得所述主构件与所述次构件能共同卷绕。

20.一种部署根据权利要求17所述的可延伸构件的方法，所述方法包括对所述开口施加流体压力，以使流体进入密封的所述间隙空间中，从而使所述可延伸构件延伸。

21.一种提供管道的方法，所述方法包括：

使根据权利要求18所述的可延伸构件延伸，从而在所述第一开口与所述第二开口之间形成管道，通过所述管道而能在所述第一开口与所述第二开口之间引导物料。

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