Pop-up kirigami for stiff, dome-like structures
Pop-up kirigami for stiff, dome-like structures
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弹出式剪纸，用于制作坚硬的圆顶状结构
DOI：
10.1016/j.ijsolstr.2021.111140
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发表时间：
2021
影响因子：
3.6
通讯作者：
Filipov, Evgueni T.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Redoutey, Maria;Roy, Ariel;Filipov, Evgueni T.
在建筑和工程中，具有正高斯曲率的表面（如圆顶）因其高刚度重量比和封闭体积的效率而被使用。这些弯曲形状由于耗时或规模受限的工艺而难以创建。近年来，折纸和kirigami已经成为从平板快速制造复杂表面的可行路线;然而，这些方法通常会导致系统过于灵活，因为它们的自由度很高。在本文中，我们提出了一个设计的弹出式kirigami系统，实现对称，正高斯曲率利用内部的无穷小机制。该系统由使用六边形图案的平板制成，并且当系统变形成圆顶状形状时，平板局部保持平坦。我们研究了系统的内部机制和变形模式，揭示了产生圆顶状曲率的柔性模式。我们讨论了系统的几何变化，并说明了可能的形状，从改变初始模式参数的结果。最后，我们证明了高刚度的系统，所产生的限制其一个灵活的模式，在其最终的，圆顶状的形状。所提出的弹出式kirigami系统提供了一种方法，用于制造圆顶状的表面，具有潜在的应用，如可展开的外壳，凹面反射器，等等。
In architecture and engineering, surfaces with positive Gaussian curvature such as domes are used for their high stiffness-to-weight ratios and efficiency in enclosing a volume. These curved shapes are difficult to create due to time-consuming or scale-limited processes. In recent years, origami and kirigami have risen as viable routes for the rapid fabrication of complex surfaces from flat sheets; however, these methods typically lead to systems that are overly flexible due to their high number of degrees of freedom. In this paper, we present a design for a pop-up kirigami system that achieves symmetric, positive Gaussian curvature by taking advantage of an internal infinitesimal mechanism. The system is fabricated from flat sheets using a hexagonal pattern, and the sheets remain flat locally as the system deforms into a dome-like shape. We investigate the internal mechanism and deformation modes of the system, revealing the flexible mode that creates dome-like curvature. We discuss geometric variations of the system and illustrate the possible shapes that result from changing the initial pattern parameters. Finally, we demonstrate the high stiffness of the system that arises from restricting its one flexible mode in its final, dome-like shape. The proposed pop-up kirigami system offers a method for fabricating dome-like surfaces with potential applications as deployable enclosures, concave reflectors, and more.
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