平面双链形连杆机构的拓展研究及应用

摘要

可变结构体系已经被广泛应用于各类工程领域，其中的大多数在本质上均可视为各类机构。我们把这类在可变结构体系中起骨架作用的机构称为结构式机构。与一般传统机构不同，结构式机构的研究更侧重于其结构形态的研究，且偏向于选用简单的单自由度机构形式。本文针对一类由纯转动副连接的平面结构式机构进行了基础理论和概念设计方面的拓展研究。
　　 全文以平面双链形连杆机构(Double-chain Mechanisms，DC)及其组合模块为主要研究对象，从其基本理论出发，围绕结构式机构形态可变的特性展开概念设计，对其作为旋转开合结构在建筑结构领域中的应用做了初步讨论。
　　 首先，对平面DC连杆机构的基本理论进行了系统化总结。给出了DC连杆机构的不同分类标准；对于在转动过程中保持剪杆端部夹角不变的剪铰单元体系，进行了改误、补充与重新分类；整理归纳出了DC连杆机构的两种典型运动方式、四种构造方法和三种拓展方式。
　　 其次，重点发展了机构加法这种构造方法，得到了一类新类型机构--基于不同四边形单元组合的DC连杆机构(Hybrid double-chains，HDC)。通过连杆机构可动性的数学证明，指出了机构加法也可以构造出奇数个角单元组成的HDC连杆机构。给出了不同构形HDC连杆机构的标记方法，研究了其可动条件，明确了广义机构加法的适用原则。
　　 再次，对DC连杆机构模块组合的一般性方法进行了研究。依次讨论了其存在性问题、构造问题、计数问题及最优化问题。给出了组合模块的九类存在形式和三种构造方法；解答了基础多边形为正多边形的SDC组合模块的计数问题及最优化问题；初步讨论了机构精简方式。
　　 最后，分析与总结了基于DC连杆机构的旋转开合结构概念设计的思路，着重针对DC连杆机构在类椭圆形旋转开合结构和组合式旋转开合结构中的应用进行了初步探讨。在分析机构选型问题之后，给出了相应板单元的一般设计步骤。提出了一种新颖的带定点运动的类椭圆形旋转开合结构的设计方法，给出了具体设计步骤、相关公式与两个设计实例；给出了两类基于DC组合模块的旋转开合结构。
　　 此外，针对本文提出的所有新类型的DC连杆机构和开合结构，制作了一系列物理模型以证明理论分析的正确性。
　　 本文的研究工作对推动可变结构创新设计具有一定的理论指导作用。