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凝聚态物理 > 软凝聚态物理

arXiv:2507.00341v1 (cond-mat)
[提交于 2025年7月1日 ]

标题: 多层空间板的折纸艺术

标题: Origami of Multi-Layered Spaced Sheets

Authors:Guowei Wayne Tu, Evgueni T. Filipov
摘要: 二维(2D)折纸镶嵌如Miura-ori通常被推广以构建具有夹层或细胞结构的三维(3D)结构化材料。 然而,这种3D块内部材料连续紧密地堆积在一起,而对于许多具有多物理功能的工程结构,需要薄片彼此分离并稀疏连接。 本研究提出了一种多层分离折纸的设计和分析框架,为多个平面薄片有意分离的3D结构提供了一种折纸解决方案。 我们通过稀疏安装的薄片平行四边形类似连接件将Miura-ori薄片连接起来。 为了探索这种连接方式如何影响折纸系统的性能,我们使用解析三角学和刚体变换对刚性折叠运动学进行建模,并通过将简化的杆和铰链模型推广到这些3D组件中来表征弹性折叠力学。 多层分离折纸中连接件的方向决定了系统将遵循的三种折叠路径之一,包括一种平面可折叠类型、一种自锁类型和一种双分支类型。 当折纸是平面可折叠时,通过战略性地选择连接件方向可以获得最大化的包装比和均匀的面内剪切刚度。 我们通过展示多层分离折纸如何用于构建可展开的声学隐身罩和隔热罩来说明其可能的应用。
摘要: Two-dimensional (2D) origami tessellations such as the Miura-ori are often generalized to build three-dimensional (3D) architected materials with sandwich or cellular structures. However, such 3D blocks are densely packed with continuity of the internal material, while for many engineering structures with multi-physical functionality, it is necessary to have thin sheets that are separately spaced and sparsely connected. This work presents a framework for the design and analysis of multi-layered spaced origami, which provides an origami solution for 3D structures where multiple flat sheets are intentionally spaced apart. We connect Miura-ori sheets with sparsely installed thin-sheet parallelogram-like linkages. To explore how this connectivity approach affects the behavior of the origami system, we model the rigid-folding kinematics using analytic trigonometry and rigid-body transformations, and we characterize the elastic-folding mechanics by generalizing a reduced order bar and hinge model for these 3D assemblies. The orientation of the linkages in the multi-layered spaced origami determines which of three folding paths the system will follow including a flat foldable type, a self-locking type, and a double-branch type. When the origami is flat foldable, a maximized packing ratio and a uniform in-plane shear stiffness can be achieved by strategically choosing the link orientation. We show possible applications by demonstrating how the multi-layered spaced origami can be used to build deployable acoustic cloaks and heat shields.
评论: 发表于IDETC 2023和EMI 2024
主题: 软凝聚态物理 (cond-mat.soft) ; 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci); 应用物理 (physics.app-ph); 计算物理 (physics.comp-ph)
引用方式: arXiv:2507.00341 [cond-mat.soft]
  (或者 arXiv:2507.00341v1 [cond-mat.soft] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.00341
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: Journal of the Mechanics and Physics of Solids 190 (2024): 105730
相关 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105730
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来自: Wayne Tu [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 7 月 1 日 00:39:16 UTC (39,357 KB)
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