[论文解读] Origami-Inspired Composite Springs with Bi-directional Translational-Rotational Functionalities

Ravindra Masana, Mohammed F. Daqaq|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2023

Advanced Materials and Mechanics被引用 4

一句话总结

本文提出了一种受Kresling折纸结构启发的新型复合弹簧设计，通过串联连接多个Kresling折纸弹簧（KOSs），实现解耦的平动与转动运动，并具备可编程刚度特性。通过调节预压缩高度，该弹簧表现出双向功能，可实现可调的单稳态、双稳态、三稳态或准零刚度（QZS）行为，具有对称或非对称特性，已通过3D打印和实验测试得到验证。

ABSTRACT

Many of the patterns seen in Origami are currently being explored as a platform for building functional engineering systems with versatile characteristics that cater to niche applications in various technological fields. One such pattern is the Kresling pattern, which offers unconventional mechanical properties with rich coupled translation and rotational kinematics. In this paper, we design and manufacture a composite spring inspired by the Kresling Origami pattern, which is capable of simultaneously behaving as an axial and torsional restoring element with bi-directional functionalities. We study, numerically and experimentally, the restoring behavior of this spring, its equilibria, and their bifurcations for different combination of the design parameters. We show that the fabricated springs can have fixed, quasi-zero, or variable stiffness, and can be customized to exhibit single- or multi-stable states (symmetric and asymmetric) as needed. The proposed spring demonstrates how combining additive manufacturing with Origami principles can offer a new pathway towards the design of new structural and machine elements with versatile functionalities.

研究动机与目标

• 开发一类新型可编程机械弹簧，利用折纸原理实现双向平动-转动功能。
• 克服单个Kresling折纸弹簧（KOSs）固有的运动耦合问题，后者限制了其在需要独立轴向与扭转响应的应用中的使用。
• 通过增材制造设计并制造Kresling折纸弹簧对（KOSP），以实现解耦自由度和可定制的稳定状态。
• 研究预压缩高度如何影响KOSP的静态平衡点、分岔行为及刚度特性。
• 通过几何参数调节，展示实现准零刚度（QZS）、固定刚度和多稳态行为的可行性。

提出的方法

• 通过串联连接具有不同几何参数的两个KOSs来设计KOSP，以实现平动与转动运动的解耦。
• 建立基于桁架的数值模型，用于模拟非线性恢复行为并预测平衡构型。
• 采用3D打印技术制造物理原型，精确控制设计参数，如边数（n）、半径（R）、预加载高度（u₀）和旋转角度（φ₀）。
• 进行准静态扭转和压缩测试，测量恢复力矩与力，并从实验数据中推导出势能函数。
• 利用插值后的实验数据构建分岔图，以映射不同预压缩水平下的稳定与不稳定平衡点。
• 利用势能函数分析稳定性，包括单稳态、双稳态和三稳态构型，重点关注对称性与刚度调节。

实验结果

研究问题

• RQ1 Kresling折纸弹簧对（KOSP）能否实现解耦的平动与转动运动，从而克服单个KOSs中固有的耦合问题？
• RQ2 预压缩高度如何影响KOSP中平衡状态的数量与稳定性？
• RQ3 KOSP能否通过调节实现准零刚度（QZS）、固定刚度或多稳态行为，且具有对称或非对称特性？
• RQ4 几何参数与KOSP势能景观中分岔行为之间的关系是什么？
• RQ5 在实验和数值模拟验证下，KOSP的恢复行为在多大程度上可通过设计参数实现可编程性？

主要发现

• KOSP表现出解耦的平动与转动运动，可实现独立的轴向与扭转响应，而单个KOSs则因固有的自由度耦合而无法实现。
• 通过调节预压缩高度（uT/R），KOSP可在单稳态、双稳态和三稳态构型之间转换，势能函数揭示了不同的平衡状态。
• 在uT/R = 2.5时，KOSP表现出准零刚度（QZS）行为，具有非对称特性，在φT = 25°附近呈现近乎平坦的势能区域。
• 分岔图证实KOSP始终为非对称结构，在极端预压缩水平下表现为单稳态，在中间水平下表现为双稳态。
• 实验结果与仿真结果吻合良好，势能函数与恢复力矩曲线验证了预测的刚度调节与稳定性转变。
• KOSP实现了可调刚度，包括QZS、固定刚度和多稳态状态，设计参数如n=6、R=15 mm、u₀/R=1.65和φ₀=45°可实现对机械响应的精确控制。