A novel transformation model for deployable scissor-hinge structures

Abstract

Primary objective of this dissertation is to propose a novel analytical design and implementation framework for deployable scissor-hinge structures which can offer a wide range of form flexibility. When the current research on this subject is investigated, it can be observed that most of the deployable and transformable structures in the literature have predefined open and closed body forms; and transformations occur between these two forms by using one of the various transformation types such as sliding, deploying, and folding. During these transformation processes, although some parts of these structures do move, rotate or slide, the general shape of the structure remains stable. Thus, these examples are insufficient to constitute real form flexibility. To alleviate this deficiency found in the literature, this dissertation proposes a novel transformable scissor-hinge structure which can transform between rectilinear geometries and double curved forms. The key point of this novel structure is the modified scissor-like element (M-SLE). With the development of this element, it becomes possible to transform the geometry of the whole system without changing the span length. In the dissertation, dimensional properties, transformation capabilities, geometric, kinematic and static analysis of this novel element and the whole proposed scissor-hinge structure are thoroughly examined and discussed. During the research, simulation and modeling have been used as the main research methods. The proposed scissor-hinge structure has been developed by preparing computer simulations, producing prototypes and investigating the behavior of the structures in these media by several kinematic and structural analyses.

Hauptziel dieser Dissertation ist es, ein System neuartiger analytischer Gestaltung und Implementierung für den Einsatz von Scherengittersystemen vorzuschlagen, welches ein hohes Maß an Formflexibilität bieten kann. Bisherige Ansätze für einsetzbare und wandelbare Strukturen führen zu keiner wirklichen geometrischen Flexibilität. Sie sind vielmehr in der Regel für auf zwei permanente Zustände wie „offen“ und „geschlossen“ beschränkt. Auch wenn es in solchen Strukturen zu einer Translation oder Rotation einzelner Bauteile kommt, ändert sich die eigentliche geometrische Struktur nicht. Deshalb können diese Beispiele nicht als voll geometrisch flexibel bezeichnet werden. Diese Studie schlägt darum vor, Strukturen wie Scherengittersysteme zu verwenden, die eine solche volle Geometrieflexibilität ermöglichen. Das wichtigste Element dieser neuen Struktur ist ein verändertes Scherenelement. Durch den Entwicklung dieses Elements wird es möglich, die Geometrie des gesamten Systems ohne Veränderung der Spannweite in eine rechteckige oder geschwungene Form umzuwandeln. In der Dissertation werden die dimensionalen Eigenschaften, die Umwandlungsfähigkeiten sowie die geometrische, kinematische und statische Analyse dieses neuen Elements und des vorgeschlagenen Scherengittersystems gründlich untersucht und diskutiert. Dabei kommen als Werkzeuge hauptsächlich numerische Simulations- und Modellierungsverfahren zum Einsatz Die Studie entwickelt die vorgeschlagene Struktur mit Hilfe numerischer Simulationen, digitaler Prototypen und verschiedener kinematischer und struktureller Analysen.