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内蒙古科技大学课程设计摘要产品设计需要设计师跨专业学习多方面的知识，以结构的创新为出发点进行产品创新也是有效的创新手段之一。具有折叠功能的产品能够在使用时展开，储存时折叠，有效地完成节省空间、方便储运和携带的设计目标。因此，研究学习折叠结构的相关知识对于设计师是十分必要的。基于以上的原因，本文从形态的角度将折叠结构进行重新划分，并在人机工程学、产品形态学、结构创新方法等理论的指导下探讨了产品设计中折叠结构的种类、原理、适用条件、互换分析和设计中的一些注意事项。为设计师在设计中更好的利用折叠结构提供了技术上的支持。通过对以往产品中折叠结构的分析研究，通过对折叠结构与产品形态功能的影响分析，特别对具有杆系单元结构雨伞的对比分析之后，得出了如下结论：折叠产品的折叠结构与外部形态有着重要的联系，从形态角度来划分折叠结构的分类方法是将复杂的机械结构简化的有效手段，是适合学生有效、快速掌握折叠结构的良好途径，是工业设计师进行相关设计的理论基点。以节省空间和方便携带为辅助功能需要的产品，其实现方法有很多，折叠是完成该辅助功能的重要的方法之一。同时折叠的方式有很多种，且考虑到折叠结构与产品形态之间的联系，因此。根据产品的特性，合理有效地选择折叠方式是工业设计师在需要着重解决的问题。具有杆系特征的折叠结构如双人雨伞的折叠设计着重应考虑展开时和闭合后的形态及空间利用，以此为出发点再进行折叠方式的选择和折叠结构的实现设计。 关键词：折叠结构 辅助功能 适用条件 互换 目 录摘要I目 录IV第一章 绪论11.1 折叠结构的研究现状11.2 课题来源31.3 主要研究内容31.3.1 从形态角度对折叠结构进行重新划分31.3.2 折叠结构形态变化和原理分析31.3.3 折叠结构的适用条件分析41.3.4 折叠结构间互换设计分析4第二章 折叠结构的基础知识62.1 折叠的含义62.1.1 折的含义62.1.2 叠的含义82.1.3 折叠的辩证关系102.2结构的涵义112.2.1 结构的涵义112.3.2 产品的基本结构要素122.3 折叠结构的涵义132.3.1 折叠产品与准折叠产品132.3.2 折叠结构的涵义142.4 折叠结构的发展历史152.4.1 折叠家具的发展历史152.4.2 可展建筑的发展历史16第三章 产品设计中的折叠结构193.1折叠结构的分类193.1.1 折叠产品的外部结构（外观结构）与内部结构的关系193.1.2从形态的角度划分213.1.3从工程力学的角度划分223.2 卷折式折叠结构233.2.1卷折式233.2.2卷折式特例充气式293.3 扇形折叠结构323.3.1扇形折叠的原理323.3.2扇形折叠结构实例分析333.4 风箱形折叠结构353.4.1风箱形折叠结构原理353.4.2风箱形折叠结构实例分析363.5可展网架折叠结构383.5.1可展网架折叠结构（X折叠）原理383.5.2可展网架折叠（X折叠）结构实例分析39第四章 折叠结构的形态分析424.1卷折式折叠结构形态变化规律424.2扇形折叠结构形态变化规律434.3风箱形折叠结构形态变化规律434.4可展网架折叠结构形态变化规律44第五章 折叠结构的适用条件分析465.1折叠产品的主辅功能界定465.2折叠产品的优越性分析465.3折叠结构的适用条件分析475.3.1卷折式折叠结构适用条件475.3.2充气式折叠结构适用条件485.3.3扇形折叠结构适用条件495.3.4风箱形折叠结构适用条件505.3.5可展网架折叠结构（X折叠）适用条件515.4折叠结构的锁定分析51第六章 折叠结构的创新方法556.1从无折叠到有折叠进行创新设计556.2折叠结构的互换分析566.2.1衣架中折叠结构的互换分析576.2.2键盘中折叠结构互换分析596.2.3雨伞中的折叠结构互换分析606.3从形态重新划分的角度进行创新设计62第七章 设计实践657.1折叠产品设计要点657.2情侣伞的设计667.2.1情侣伞的市场分析667.2.2情侣伞的功能分析667.2.3情侣伞改良设计分析687.2.4情侣伞最终效果图70总结73参考文献7541第一章 绪论1.1 折叠结构的研究现状刘宝顺老师在产品结构设计中将结构设计分为壳体、箱体结构设计、连接与固定结构设计、连续运动结构设计、往复间歇运动结构设计、密封结构设计。在连接与固定结构设计这一章中从零件装配的角度谈了铆接、胶结、螺纹连接、柔性连接等方式方法。作为有一些机械基础的同学可能能勉强看懂一部分，但是艺术类学生可能就困难了，所以同学们可能会说，如果能讲的通俗易懂就好了，或者提供些各种原理的相关图片就好了。其实工业设计要掌握的跨专业知识很多，比如电气，热能等等，如果没有专业老师教授，自己是很难学习的。但是在做具体设计时为了达到技术与艺术的结合，就必须更多的从相关产品的工作原理、功能上出发，真正实现这一原则。比如壁式空调的外观设计，现在的大多数市面上产品在前脸做了镀层印花等手法的尝试，空调美观大方，但这只是工业设计的最基本要求，真正的好产品有是另一种生活方式或使用体验的改变。在产品设计第38期中的一篇文章中，作者将折叠物品看作是一种使用时展开、储存时折叠的发明，这种方法省地方、设计精妙，最能满足我们快节奏的实际需要。将折叠物品的两种状态定义为：折叠时的被动状态和展开时的积极状态。它们可大可小，可伸可缩，一切都取决于功能的需要。认为调整尺寸大小满足功能需要也是经时间挑选的自然界法则。认为工具是具有实际功用的人造物品，它们是人类能力的延伸，运用工具人类可以使许多不可能的事成为可能。折叠本身不是工具的“目的功能”，经常只是作为一个辅助功能。如果一些工具可折叠将是非常有用甚至是必须的，但是我们需要一件工具的主要原因还是它的目的功能，刀是用来切的，椅子是用来坐的，伞是用来遮雨的。通常几类工具都将满足消费者的主要需求，但同时又能满足次等需求的工具就尤其成功。折叠可能永远不是工具最重要的功用，但却往往成为消费者作出选择的决定因素。非折叠与准折叠，在整个使用寿命中，只被闭合或展开一次的物品不是真正的折叠。一件产品可以被重复的折起和展开，它自身并不表明这是一件折叠物品。产品设计38期副刊一篇文章谈了折叠的12个分类，包括压，折，风箱形，组装，卷，铰链，滑动，套，褶皱，扇形，手风琴状，充气。这里作者认为12种类别包含了几乎所有常用的折叠产品。明显作者将折叠的概念放大了，没有很好的区分折叠产品和其它产品。在国内工业设计领域，江南大学设计艺术学院的张福昌教授对折叠产品的研究是最全面最深入的。又文可查的论文有2篇。张教授发表在江南大学学报上的一篇名为折叠产品的基本规律及其广泛应用中，讨论了折叠的概念与研究领域,折叠产品的产生、发展及广泛应用,在考察了大量折叠产品的基础上总结了折叠产品的基本规律，最后提出了折叠产品设计的注意事项。在折叠的产生、发展及广泛应用这一部分他写到“折叠的产生是生活的需要和对客观规律认识的结果,是造型结构上的一个重要发展。 它的更新发展标志着科学技术水平的不断提高。折叠的产生是生活的需要和对客观规律认识的结果,是造型结构上的一个重要发展. 它的更新发展标志着科学技术水平的不断提高”。介绍了中国古代的伞、扇子和家具的发展。在第二部分总结了折叠的基本规律及折叠产品的优越性，认为产品折叠一般符合两个规律：以圆心(或轴) 为基准的折叠和平行折叠。最后总结了设计折叠产品的一些注意事项。在装饰第185期有一篇由何灿群和詹惠娟老师写的文章，题目为折叠家具中的人机工程学研究，文章中作者谈到了折叠和生活有着密切的关系，认为折叠家具在功能上有多方面的优点，通过折叠设计可以将面积或体积较大的物品折叠成尽可能小的面积或体积。认为收藏时的折叠与使用时的展开应是辩证统一的，折叠是为了更好地展开，必须符合“适用、舒适、美观”的人机关系。文章先分析了折叠家具中的人机工程因素，即形态、功能、色彩和材质。在折叠结构的人机规律研究这一部分，将家具设计的设计要点概括为：1. 既要方便携带，又要考虑功能需要。家具的折叠性不能单纯为了方便携带、搬运等，也要同时考虑到某些使用功能上的需要。如调节式座椅主要是通过靠背、座面、座高的折动来调节坐姿的角度，乃至躺、卧的状态，以满足各种不同的使用需要，这是以人在不同的使用状态中的不同需求作为出发点的。2. 既要追求结构的合理性和安全性。考虑使用者的感受注重折动结构的科学性、舒适性、安全性以及对于选材方面的特殊要求，不能因为追求结构上的合理而忽略使用者的感受。折叠结构具有多元化的特点，那么在针对具体的使用人群时就要根据需要选择最合理的结构。1.2 课题来源第一，以往折叠的分类多是从工程方面的分类，如从自锁原理、驱动方式等，很少有从形态角度的分类，从工业设计的角度，特别是从形态的角度来区分折叠的分类是将复杂的机械结构简化的有效手段，对于产品设计师有重要的启迪和帮助作用。第二，具有折叠功能的产品能够在使用时展开，储存时折叠。这种结构设计省空间，方便储运和携带，是一种被广泛利用的结构，对于常用种类、原理、适用条件、互换分析和设计中的一些注意事项的总结将会使学生在设计中的更加快捷和精准的利用这些资料。第三，以节省空间和方便携带为辅助功能需要的产品，其实现方法有很多，折叠是完成该辅助功能的重要的方法之一。同时折叠的方式有很多种，且考虑到折叠结构与产品形态之间的联系。因此，如何根据产品的特性，合理有效地选择折叠方式是工业设计师在需要着重解决的问题。第四，当前结构较复杂或实用功能相对突出的产品，如部分五金产品、家具等在结构设计上的成果往往大于在美学上的成果。如何从美学角度设计折叠产品特别是折叠产品的折叠结构，达到“结构美学”是目前迫切要解决的问题。1.3 主要研究内容1.3.1 从形态角度对折叠结构进行重新划分折叠产品的最大特点就是可以通过一定的方法使产品的形态发生变化，所以不同的折叠方法就会产生不同的形态变化，我们从形态角度划分能够将我们对于复杂的机械原理的考虑转变为我们擅长的对于形态角度的分析。同时作为以后的研究的出发点和理论依据。1.3.2 折叠结构形态变化和原理分析折叠结构的外观结构与内部结构往往达到统一。所以研究各种折叠结构形态变化的特点就显得格外重要了，此外，从空间利用的角度来看，每种折叠结构虽然都能够实现折叠，但是利用空间的方式却各不相同，对于各种折叠结构形态变化的分析对于我们在设计中有很大的益处。对于各种折叠结构原理的运用是我们在具体实现产品功能的必经之路，以形态划分为基础来分析折叠结构，并分析实现其功能的原理的方法能够使许多设计师快速有效地明白其中的结构原理。1.3.3 折叠结构的适用条件分析折叠结构从展开、施加预应力成形到荷载态是一个既包括弹性变形又包括刚体位移，既有线形又有非线性的复杂过程。从折叠结构的工作过程来分，折叠结构的分析、设计包括三部分：保证结构能够顺利展开的几何设计；折叠结构展开过程中对整个机构体系的运动路径的设计与控制；保证体系能够按着预定的轨道运动，并将约束反力控制在合理的范围内处于工作状态的折叠结构在荷载作用下的受力分析。折叠结构的运用不是任意的，在材料、形态等因素的约束下，根据具体的设计目的往往有一种到两种折叠结构能够实现产品的最优化设计，所以对于各种折叠结构适用性的总结归纳对于产品设计有很大的指导作用。1.3.4 折叠结构间互换设计分析 机械设计中机构创新设计的内容有两个层面的内容:1.机构的创新设计，机构的创新设计是指利用各种的综合方法，设计出能实现特定运动规律、特定运动轨迹或特定运动要求的新产品的过程。机械原理课程总的去多内容富有创造性，各种典型机构的综合就含有设计人员的创造性。如设计实现特定运动轨迹、特定运动规律的连杆机构，设计实现特定运动规律的凸轮机构和其它类型的机构都属于机构的创新设计，通过对于各种折叠结构的总结我们将折叠结构划分为4大类，这是从形态的角度的划分，这是有利于工业设计师的有效办法，然而一种特定形态的折叠如简单的“折”式在结构的实现上往往有很多手段，将机械原理和工业设计联系起来考虑，这里的机构创新设计指的就是运用不同的机械原理来实现产品形态变化2.机构的应用创新设计，机构的应用创新是指在不改变机构类型的条件下，通过机构中的机架变换、构件型状变异、运动副自由度的等效替换等手段，设计出满足生产需要的新产品的过程。以形态角度划分的几类折叠结构都是由各种构件组成的，所以联系起来考虑，机构的应用创新设计就是指一类折叠结构中部件的创新设计，以上就是机械原理中的创新与本文的折叠结构创新之间的联系。这里讨论的互换指的是以形态角度的划分为基础，不同折叠结构间的互换分析，可以说这是形态的互换，并不是完全从机械原理层次上的互换。中间的章节我省去了，根据自己的题目编写章节！第四章 折叠结构的形态分析4.1卷折式折叠结构形态变化规律前面已经分析了折叠产品外部结构和内部结构的关系，即：外观结构与内部结构往往达到统一。所以研究各种折叠结构形态变化的特点就显得格外重要了，此外，从空间利用的角度来看，每种折叠结构虽然都能够实现折叠，但是利用空间的方式却各不相同，对于各种折叠结构形态变化的分析对于我们在设计中有很大的益处。卷折式折叠结构中卷式折叠形态往往是从厚度很小的面形态通过卷的动作最后成为圆柱体，如图4-1所示图4-1 卷式折叠变化规律折式折叠结构分为一折两折和多折，其本质是基本的一折式折叠的串联。根据组成构件的形态的不同，折叠后的形态也相应不同，如图4-2所示是串联的三折式折叠变化规律。图4-2充气式折叠结构排除气体后往往可根据需要进行折叠，没有固定的规律，所以在这里不作分析。4.2扇形折叠结构形态变化规律扇形折叠结构的特点式利用形态相似的构件通过一定的连接（轴）达到构件（股）的折叠，各个股单元可以实现绕固定的端点旋转，根据打开的程度可以形成不同扇形直至圆形，实现有线到面的变化。如图4-3所示。图4-3扇形折叠变化规律4.3风箱形折叠结构形态变化规律风箱形折叠分为旋转式和平行式，旋转式折叠根据构件的形态的不同，收起后形态也有所不同，但收起后形态往往是单个单元的形态，打开后能够形成一定的空间结构。如图4-4所示。平行式折叠组成构件往往形态相似，由许多圆形或方形单元并列组成，打开后成为空间结构。通过一侧的挤压也可以形成一定角度的旋转。如图4-5所示。图4-4旋转式变化规律图4-5平行式变化规律4.4可展网架折叠结构形态变化规律由杆系构成的可展折叠结构的基本组成为剪式单元, 它由杆件组成, 每个杆有三个节点, 两个端节点与相邻单元铰接, 中部节点采用枢轴连接, 可自由转动。通过对基本剪式单元的不同组合, 可形成各种基本结构, 进而构成整体结构。整体结构的形状完全由剪式单元的几何参数决定, 即杆件长度枢轴连接点位置。如同其它几种折叠结构一样，可展网架结构也可以看作是由很多基本的折单元排列组合而成。这里我们主要分析几种有规律的变化结构。(1)各杆长度相同, 枢轴连接点位置在各杆中心点, 展开后形状如图4-6中A所示；(2)各杆长度相同, 枢轴连接点位置不在杆件中心, 展开后有曲率存在, 如图4-6中B所示；(3)各杆长度不同, 枢轴连接点位置位于杆件中点,如图4-6中C是有两种长度时展开后的状态。(4)各杆长度不固定、枢轴连接点位于中心点, 展开后形状如图4-6中D所示。 图4-6 变化规律剪式单元中的剪杆不一定为直杆, 在空间状态下也可为广义下的曲杆单元，如图4-7所示。图4-7 曲柄剪式单元第五章 折叠结构的适用条件分析 5.1折叠产品的主辅功能界定 产品的功能可以理解为产品的功效，产品功能定义就是对产品的需求信息或效能，用科学准确简洁明确的语言进行抽象的描述。按功能的重要程度，功能可分为基本功能（主要功能）和辅助功能。主要功能是产品的主体功能，也是产品存在的基本条件，是消费者购买产品的基本原因。如手表的主要功能是显示时间；电灯的基本功能是发光照明等等。辅助功能是对主要功能起支持、保证和完善作用，辅助功能与主要功能并存，它可以使产品的主要功能更加完善，属于锦上添花的功能，如果没有它，产品并不会失去基本的使用价值【1】 产品的主辅功能及功能优化设计；闻邦椿 刘树英 李小彭；第17页1】，所以，产品具有的折叠功能只能算作是该产品的辅助功能，但往往是消费者做出决定的关键因素。产品优化的方法中很重要方法的就是辅助功能的设计，所以折叠功能的好坏将直接影响该产品的整体印象。5.2折叠产品的优越性分析首先，折叠产品能够节省和最有效利用空间，折叠产品对工厂、商店的仓库、旅馆、饭店、体育馆及住房空间最有效利用具有特殊意义。例如常见的钢折椅,展开时尺寸为83 cm 50 cm 40 cm ,而折后仅占前者体积的1/ 7. 3。第二，携带方便，一些产品由于特殊要求需设计得小巧轻便、携带方便,折叠产品是满足这一要求的好形式。 现代设计理念往往追求轻薄短小，除了材料和工艺外，折叠是最好的手段。50 cm 半径的旅行伞可将伞骨对折收拢直径仅4. 5 cm ,长30 cm 左右,可放入袋中。 折扇、折叠自行车、折叠衣架及很多旅游用具都具有这个特点。第三，安全性提升，一些利器(刀、针、剪刀等) 经过折叠处理后不但缩小了所占空间,而且隐藏了锋利部分,保证了携带的安全。第四，节省原材料， 一般折叠产品较小,可以广泛使用短小材料,节省原材料,也便于自己制作。 普通组合小刀一柄多用比一刀一柄要节省材料。第五，便于归类和使用，机械工人用的标准卡扳,采用扇形结构可以按规格排列,不但不易散失,而且能提高工作效率。5.3折叠结构的适用条件分析折叠产品是精妙的人造产品，它们有两种状态：折叠着的被动状态和展开着的积极状态。它们可大可小、可阔可缩，一切都取决于功能的需要。折叠无处不在，而一个真正的折叠物品必须是能被重复使用的。有些折叠产品不是单纯为了方便携带、搬运等，如调节式座椅主要是通过靠背、座面、座高的折动来调节坐姿的角度，乃至躺、卧的状态，以满足各种不同的使用需要，这是以人在不同的使用状态中的不同需求作为出发点的，通常应用在汽车、火车、飞机等交通工具上，在人长时间的作业环境中，提供工作和休息两种使用状态。这种折叠产品通过折叠结构的运用能够达到折叠的目的，但是折叠的目的不是为了节省空间，所以只能算作是准折叠产品，这里我们不做主要探讨。折叠结构从展开、施加预应力成形到荷载态是一个既包括弹性变形又包括刚体位移，既有线形又有非线性的复杂过程。从折叠结构的工作过程来分，折叠结构的分析、设计包括三部分：保证结构能够顺利展开的几何设计；折叠结构展开过程中对整个机构体系的运动路径的设计与控制；保证体系能够按着预定的轨道运动，并将约束反力控制在合理的范围内处于工作状态的折叠结构在荷载作用下的受力分析。折叠结构的运用不是任意的，在材料、形态等因素的约束下，根据具体的设计目的往往有一种到两种折叠结构能够实现产品的最优化设计，所以对于各种折叠结构适用性的总结归纳对于产品设计有很大的指导作用。5.3.1卷折式折叠结构适用条件首先卷折式折叠适用于那些形态由杆系或面系的单元组成的产品，卷折式折叠结构又可分为卷和折，其中卷式折叠结构适用于那些外部结构采用可以卷曲的材料，内部结构可以在预定方向上卷曲而不影响其发挥功能和零件效率的情况，现在由于科技的进步，很多电子产品都能够进行折叠变换，如液晶屏的卷折，软键盘的卷折等等，但由于材料和工艺的限制，卷式折叠的应用范围相对狭小。折式折叠结构又可分为一折、两折和多折，往往应用于杆系或面系单元的折叠，因为不受材料的约束且可选连接结构多样，所以适合大部分折叠产品，我们平时谈论的折叠往往就是指这类折叠，同时这种折叠也是应用最广泛的，然而大多数折叠结构都不是简单的折单元，往往有两折或多折组成，最重要的是这些“折”都是由各种连接结构或机械原理完成的，表面上看似简单的“一折”“两折”，事实上往往是由复杂的其它结构完成，所以折的背后其实是不同的各种其它结构。折式折叠形态变化相对简单，折叠效果好，所以在设计中的要点并不是能否折，而是如何实现折，即如何通过连接或别的结构实现构件间的折叠。图5-1中蛋形摩托车可以被折叠成一个梭形，这款车全身上下有多处折式折叠，多处通过铰接式连接结构实现。此外，它还充分融入了环保的元素，折叠后其外表就会完全被太阳能电池覆盖，可以通过吸收太阳光来获得动力。为了充分吸收太阳光，它还配有一款类似于太阳灶的底座，可以起到聚光的作用，从而吸收更多的太阳光。当阳光不足时，还可以通过普通的交流电源进行充电。图5-1 蛋形摩托车5.3.2充气式折叠结构适用条件充气式折叠结构的优点是形态变化大，折叠效果好，且能够有效减轻产品重量，随着充气工具的发展，使用起来越来越方便，然而缺点也很明显，即承受载荷小，且容易刮伤划痕，随着材料科学的进步，这些缺点将会逐渐减小，所以充气式折叠结构适用于那些受力小且摩擦小的场合，如建筑物外部膜结构，浴场设备等等。现在的雨伞虽然种类繁多，造型各异，但是基本上都是采用了翻折的设计，通过薄薄的一层防水材料来起到挡雨的作用，而图5-2所示的产品却采用了充气的结构。下雨时候，只要通过内置在伞把中的气筒将它充满气体即可。而独特的云朵造型也非常吸引眼球，别人头顶都是乌云，唯独我这里白云朵朵。图 5-2 充气伞5.3.3扇形折叠结构适用条件扇形折叠结构形态变化相对简单，并且对于组成单元要求严格，所以其适用场合也有限，适用于那些拥有较多股单元，且股单元形态规则，接触面相对紧密的产品。如图5-3所示的瑞士军刀图5-3 瑞士军刀5.3.4风箱形折叠结构适用条件风箱形折叠分为旋转式和平行式，风箱形折叠往往作为两个构件的连接部分而存在，也有将其作为产品壳体的例子。旋转式折叠打开后可以形成一定的空间体积，特别适合产品原有空间体积的增加。平行式折叠同样可以增加空间体积，此外平行式折叠通过一侧的挤压也可以形成一定角度的旋转。作为连接使用的平行式风箱形折叠结构往往用于构件间的连接部分以使两部分产生一定角度的弯曲，平行式折叠结构还用于充当可伸缩的空间来容纳物体。如图5-4所示的风箱形杯子就是平行式结构的运用。如图5-5所示的风箱形车库是旋转式结构的运用。风箱形折叠结构经常用到运动的产品和设备中，是非常重要的一种折叠结构。5-4风箱形杯子5-5 风箱形车库5.3.5可展网架折叠结构（X折叠）适用条件可展网架折叠结构从最简单的剪式单元到大型网架结构都是很常用的结构，在工业产品和建筑上起到了非常重要的作用，由于形成了标准化的单元，所以使用起来很方便，网架中剪式单元形态变化后可以变化出不一样的结构形态，适用范围很广。这种结构可以作为连接机构，也可根据要求当做产品的其它构件，当然这种构件一定是可折叠的。如图5-6在宜家销售的卫生间使用的折叠伸缩镜。图5-6 宜家折叠伸缩镜5.4折叠结构的锁定分析折叠结构主要特征是具有两种稳定的构形：完全折叠状态和完全展开工作状态。在折叠状态时，结构体积较小，便于运输或储藏。在外界驱动力的作用下，结构逐步展开，达到完全展开的工作状态，然后锁定为稳定状态。在这一过程中，前后两端的完全合上和展开状态要求结构必须稳定，其中展开时往往是产品的工作状态，所以更加重要。使结构稳定平衡的必要条件是产品受到的所有力矩合为零。总的合力为零。工程师往往采用各种锁定结构来实现。根据结构展开成型后的稳定平衡方式锁定可分为结构自锁和结构外加锁式，自锁又分为结构几何自锁式、结构构件自锁。结构几何自锁式又称自稳定折叠结构，是工程界普遍重视的一种结构。其自锁原理主要是由结构的几何条件及材料的力学特性决定。如图5-7所示的折叠椅子，该椅子有四个构件的折叠，即四个对称结构的折叠，产品打开后结构稳定，我们可以发现人坐上去后整个结构稳定性更强，其自锁原理主要是由结构的几何条件及材料的力学特性决定。 图5-7 折叠椅子在这种结构中，组成部件只有在折叠状态与完全展开时，才与结构的几何状态相适应，杆件应力为零，而在展开过程中杆件弯曲变形，储存外荷能量，最后反方向释放这些能量。自稳定折叠结构展开方便、迅速，但其杆件抗弯刚度比较小，因而承受外荷载能力低，只适合小跨度情况。结构构件自锁的原理主要是通过构件本身具有的一些约束条件来达到自锁，如雨伞的杆上突起的梢钉在达到预定位置后划入预留孔中和图5-8中折叠自行车连接处的运用的四连杆结构等。图5-8 四连杆结构锁定结构外加锁式亦称附加稳定结构，在结构展开过程中，杆件内无应力，整个结构是一个机构体系，在展开到预定跨度时，在结构的端部附加杆件或其它约束而消除机构形成结构。这种结构的杆件刚度比较大，可满足较大跨度的要求。图5-9 折叠凳子图5-9中的折叠凳子的自锁机理主要是靠销钉在结构展开时通过人力将其滑入杆件端部预留的槽孔处而锁定结构。属于结构外加锁式。折叠结构根据其在展开过程中所表现的运动特性可分为两大类：一类是各部分运动为刚体运动，称其为多刚体体系，它的运动描述及内力分析比较容易解决；另一类则是部件在空间中经历着大的刚性运动的同时，还存在自身的变形运动，表现出刚性运动与变形运动互相影响，强烈耦合的特征。自稳定杆系结构就属于后一种类型，其中锁铰的设计是整个自稳定折叠结构设计的基础，直接影响结构的合理性及使用方便性。理想的自锁条件是在叠展的过程中，组成锁铰的杆件内产生内力，内力变化呈缓升陡降的趋势，变化率表现出大范围变化的慢变量与小幅度的快变量的特征。这种运动特性必须采用非线性理论来描述，这正是这种结构计算的难点所在。第六章 折叠结构的创新方法产品结构的创新在产品形态设计中占据了至关重要的地位。一般在众多的同类产品中，如果有一个产品的结构非常新颖别致，一定会给人以强大的视觉冲击，吸引众多消费者的眼球，并激起他们的购买欲望或使用欲望。好的结构设计，除了能够满足产品的基本功能外，还能改善和拓展产品的功能。往往是技术与艺术结合的体现，所以折叠结构的与产品外观形态的特殊关系决定了它的研究重要性。6.1从无折叠到有折叠进行创新设计折叠产品的折叠功能是产品的辅助功能或次要功能，所以很多产品开始设计时往往并没有赋予其折叠功能，之所以后来赋予其折叠功能主要是因为这种辅助功能能够非常好的优化该产品，所以折叠功能的附加是我们进行产品创新设计的有效办法。如图6-1所示的折叠高跟鞋，通过精妙的设计使得高跟可以折叠，极大地满足了女性朋友的需要。图6-2所示的折叠滑板中，设计师将滑板改成了可折叠的三节，中间由铰链链接，这样的滑板可以方便携带，对材料和工艺提出了很高要求。6-3所示的折叠脚蹼采用了折叠设计后方便了游泳者在行走和游泳之间转换，同时利于储存和携带。 图6-1折叠高跟鞋图6-2 折叠滑板图6-3折叠脚蹼6.2折叠结构的互换分析通过各种折叠结构的适用条件的分析我们可以得到一个结论，即：对于相似形态的同类产品，我们往往可以通过使用几种不同的折叠结构达到折叠该产品的目的，当然有些产品是不具有这种条件的，这就是折叠结构的互换性。我们分析折叠结构的互换性就是为了更好的完善该产品功能，达到最大程度的节省空间，最简洁的折叠方式，新奇实用的折叠形态变化和最舒适的人际关系。对于各种折叠类型，所以我们的评价标准有：节省空间的程度;携带方便的程度;成本高低;折叠的操作简便性;外观形态。6.2.1衣架中折叠结构的互换分析折叠衣架在形态上具有三角形框架特征，这里我们以衣架这个最简单的产品为例来分析不同折叠结构的互换性。卷式折叠与折式折叠有相同的原理，从形态和空间利用的角度而言，卷式折叠结构是最省空间的折叠结构。衣架是折叠设计应用较广泛的产品，这几款款产品从功能上都实现了凉衣服的主要功效，只是折叠类型不同。第一款衣架如图6-4所示，由四个杆单元和一个套管组成，应用套管来约束下部的水平两杆，连接节点隐藏在其内部。折叠后成为长度相等的杆单元，折叠效果很明显。第二款如图6-5所示，这款充气衣架利用气膜结构，使用时充气使气膜结构成为支撑体，气阀门松开使气体排出后可以任意卷折，从空间利用的角度应当是最佳折叠方式。第三款如图6-6所示，这款可展网架折叠衣架将两侧的剪单元形态进行了形态变化，同时每个剪式单元的长度也进行了改变，所以打开后能够朝着预定的方向伸展，合上后式圆形。折叠效果明显，储存很方便，操作很简单且非常漂亮。图6-4折式折叠 图6-5充气式折叠 图6-6可展网架折叠这里要说明的是，各种折叠结构间的评价点有些有明显的评价标准，如节省空间、便于携带，而有些标准有着明显的主观性，如外观的评价点。还有的标准如成本的分析，由于每件产品的工艺、材质等方面的不同，本身就决定了其成本，所以其结果只是相对的。三者在现有材料的情况下都达到了最大限度的折叠，从省空间的角度分析充气式折叠技高一筹，从节省成本的角度开看，充气式折叠当然是最节省成本的方式。从外观的角度来看折式折叠衣架有金属的质感，明显好于充气式折叠，有着很好工艺的第三款衣架更加美观大方。从操作上来考虑，由于都是简单的产品所以几种折叠结构不相上下。其它的折叠类型如扇形、风箱形根据自身折叠的特性其实都可以完成三角形形态的折叠要求，但是由于成本和操作性的关系，往往应用很少，这也是结构的最简化要求。6.2.2键盘中折叠结构互换分析折叠衣架是外观即结构类产品，键盘虽然具有长方形的形态特点，但是其内部结构精密，这里我们主要分析具有内部结构的长方形产品。如图6-7所示的三折式折叠键盘的折叠效果相当明显，折叠后只有原来的三分之一大小，变成一个小的手提箱，很方便携带，还有一些折叠键盘采用一折，当然只能减少而二分之一的大小。如图6-8所示的卷式硅胶键盘的折叠效果同样很好，折叠后成为柱状，配上筒形外包装，相当方便，而且具有天然的防水功能。随着技术的日渐成熟，这种键盘的成本会越来越低。图6-7三折式折叠举例图6-8卷折式键盘举例两款键盘在形态大体相似的基础上折叠效果不相上下，卷式硅胶键盘由于材质的因素重量更轻，三折式折叠键盘是在原有键盘形态的基础上进行折叠结构的设计,所以看上去没有太多的新奇感，硅胶键盘具有与生俱来的新奇感。其它折叠类型如扇形折叠、充气式、可展网架由于折叠的特点与设计要求不符，所以很少应用在键盘上。6.2.3雨伞中的折叠结构互换分析雨伞具有半圆形形态特征，很多产品又需要这样的结构，雨伞没有内部结构，只要能够完成半球形结构就能够完成挡雨的目的。只是需要注意折叠操作的简便性。如图6-9所示的雨伞式是市面上常见的三折式雨伞，折叠效果非常好，折叠后成圆柱状，携带很方便，操作也很方便，且结构稳定，根据材质和工艺的不同成本也有所不同，是人们普遍接受的雨伞形态。如图6-10所示的风箱形雨伞是一款不用手撑的雨伞这种新型雨伞不仅不需要用手来撑，而且它的防护面积和使用效果也要远远的好于传统雨伞。发明这种雨伞的是现年45岁的英国设计师阿兰-科夫曼，他共耗时6年时间设计出了这款名为“Nubrella”的新型雨伞。这种雨伞不需要使用者用手来撑，还能在大风天气里运用自如，无论是防雨的面积还是效果都非常好。据阿兰科夫曼称，他经常看到人们在大风天气里很难将雨伞撑开，因此突发奇想就发明了“Nubrella”雨伞。这种雨伞通过按下一个按钮撑开，两边各有一个背带，可以非常轻松地绑在使用者的肩上，这样就可以将双手解放出来，使你能够轻松自如地打电话或者骑自行车。 折叠后为弧形，只是操作起来比传统的三折雨伞多几个步骤，外形奇特的风箱形结构使你能够吸引很多人的注意。如图6-11所示的充气式雨伞造型为半球形，不需要龙骨支撑，所以放出气后体积非常小，可以为您节约更多的空间。它的使用方法类似于气球，使用者可以利用手柄上的气泵给雨伞充气，因此无需骨架的支撑，雨伞仍然可以保持坚挺。放气过程同样非常简单，只需拉开手柄即可。内置的三个LED还可以帮助你照亮夜晚的道路，同时对过往的车辆起到警示作用。由于有一个手柄气泵，成本会增加不少，但是形态很美观奇特。 图6-9 三折式雨伞图6-10 风箱形雨伞图6-11 充气式雨伞从省空间的角度来看，充气式尽管增加了气泵，但无疑仍然是最省空间的，其次是三折雨伞，风箱形雨伞由于是利用龙骨来实现开合，所以折叠后任然较大，这也是风箱形结构的特点；从操作的便捷程度上来分析，风箱形无疑是步骤最多的了，但是风箱形雨伞实现了一种新的使用方式。三折雨伞使用方便，开合速度最快，充气式雨伞的开合则需要一个充气和放气过程；从方便携带的程度角度来看，三折式和充气式雨伞是最方便的携带方式。最后来分析外观，充气式无疑是一种外观最奇特，并且可变换性最好的折叠方式。考虑到结构的约束其它两种则只能够在面料和材质上做出改进设计。6.3从形态重新划分的角度进行创新设计折叠自行车是现在越来越受人们欢迎的产品，传统自行车大而笨拙，不适合城市快节奏的生活需求，从功能的角度看，折叠自行车在展开后是完全能够达到普通自行车的所有要求的，折叠后更加方便出行和携带，所以逐渐受到人们的追捧。自行车具有和上文中键盘相似的形态特征，但是键盘是一种内外结构相对明确的产品，而自行车是一种具有较复杂机械系统的产品，内部结构和外观结构统一，所以在进行折叠设计时又有很大不同。折叠产品最大的优势在于节省空间、方便携带，从这个角度讲我们设计折叠产品最重要的就是追求省空间的最大化。折叠自行车往往是在现有自行车的形态基础上进行折叠设计的，如上文讲到的美国军用折叠车，就是在原有车的形态基础上进行的折叠设计，因为自行车前后形态相似（前后两个车轮），且车轮本身往往具有不可折叠性，是折叠产品中的不可动因素，整个设计的重点就是这些不可动因素的叠加，所以从中部折叠就是最佳的叠合方式。这也是我们追求的理想化的折叠方式，这种思路的起点是形态分析，通过形态的重新划分，最后确定折叠节点。图6-12中的折叠自行车，这是奔驰公司发售的折叠自行车，主要是针对奔驰车主。与大多数折叠自行车追求前后轮叠加不同，该折叠车通过车架的机构变化实现的是前后轮的距离接近，设计师所追求的目的是另一种概念，但不可否认，折叠效果不理想。图6-13所示的折叠车是市面上最常见的折叠自行车，在同类产品中设计师都将折叠节点设计在前后轮的中间，使得折起后前后轮是基本叠加的，其它的构件根据这一基础在进行折叠设计，可以看到前后车轮叠加后折叠效果很好。图6-14所示的折叠车，其追求的目的同样是前后轮的叠加，只是实现的方法不同，其前杠设计成了伸缩式，伸缩达到一定程度后再通过转轴将后轮与前轮叠加，通过这个例子我们可以发现，折叠车往往都是通过出车轮以外的其它构件的变化来实现车轮的叠加，而车轮是整个自行车机构中的不可动因素。图6-15所示的折叠车,设计师将自行车的形态进行了重新设计，最终折叠效果相当完美，这就是形态重新分割办法的应用。我们可以看到，前面的折叠车折起后虽然前后轮实现平行叠加，但是其它构件始终不能够规则的折起，影响了产品的外观，且杆系构件容易发生挂擦，而这款车设计师首先分析自行车中的不可动因素为前后车轮，为了达到最完美的折叠，又将其它部件简化为两个圆环，并且前后两个圆环包住两个圆，最后再叠加。该车无论从省空间的角度还是外观的角度都是最佳的，是我们追求的最佳折叠产品。图6-12 奔驰折叠车图6-13 普通折叠自行车图6-14 折叠车图6-15 “四个圈”折叠车从形态重新划分的角度进行创新设计是有效地创新方法，其主要思路是首先分析现有产品中的不可动因素和整体形态特点，通过其它的可动构件的变化，最终实现不可动构件的叠加，同时尽量将可动因素设计成适合不可动因素的形态特征，已实现所有构件规则的叠加，以达到最佳折叠方式。第七章 设计实践7.1折叠产品设计要点第一，要科学坚固. 由于折叠产品比一般产品的搬动、携带次数多,特别像折叠自行车、折床等,要求材料轻,质量好,强度高,以减少搬动的困难,减少折叠损伤,尤其对连接件(如铰链等) 的要求更高。当然还要善于根据折叠产品各部位的功效,选用最经济最合理的材料.第二，精心设计精心加工. 折叠产品对结构件工艺加工精度要求较严,伸缩曲折等部分如不精密,即过紧过松都会直接影响使用效果及寿命。折叠旅行杯等装液体的器物如果斜度不对则易造成使用时拉脱或盛水后稍一震动便座落。第三，折叠组合。 一物多用要根据实际需要少而精,不能一味重叠太多,如小开刀搞十几种合一就无太大意义。第四，注意形态的美观. 产品设计要尽量做到在不影响使用效果的情况下尽可能折叠到最小单位,同时注意外形的完美,像折叠多功能沙发等家具不但是日用品又是陈设品,因此要具装饰美。第五，要在细部上下功夫。同样一件产品可以采用不同的折叠方法,但哪种科学、经济、牢固又美观,细节的设计就很重要. 要充分考虑力学等方面的合理性。此外,很多民间折叠产品如折纸、折椅、折叠灯具等很值得研究总结. 因为它具备功能实用、结构简单、材料因地制宜、加工方便,且有着深厚的群众基础,并符合绿色设计等特点.总之,折叠产品设计是科学性很强,要求较严格的工作。要求设计者认真进行社会调查,学习研究一些机械加工、材料力学等方面的科学知识,不断改进、尽力克服折叠产品易损的缺点,依据“适用、经济、美观”的原则,设计出更多更美的折叠产品，满足生活和生产的需要。7.2情侣伞的设计7.2.1情侣伞的市场分析情侣伞是随着社会上人们生活水平的提高而出现的，其存在主要满足情侣们的需要，可算作一种消费产品，目前市场上主要有两种产品如图6-1所示图6-1 市面上主要的两款情侣伞左边的一款是两个一般雨伞的平行组合，开启和闭合很方便，且闭合后产用空间很小，结构非常简单，右面的一款情侣伞结构同左边的如出一辙，只是变换了伞的角度，相比左边一款优点有：1.可允许由男方或女方单独手持，2有效防止了两侧雨水。相比左边一款缺点是对于前方和后方的雨水的阻挡效果差。两款伞共同的优点有：1.开启闭合方便。2.结构牢固3.闭合后省空间、便于携带。这些都是折叠最基本的功能，但是使用的舒适度和人机方面的问题也很突出，有如下问题：1.两款伞都只是一把伞，其使用次数的概率很小，因为无论是男士还是女士都不会随身带一把双人伞。2.伞把都会影响情侣们的视线。3.不适合情侣正常的行走动作习惯。7.2.2情侣伞的功能分析首先我们来分析情侣们平常使用伞的习惯，我们先分析图6-2所示的情况，这是一把普通的伞，在男士单独使用时是完全够用的，且大多数人都是右手持伞，持伞的手往往放于右胸前，这是人们的习惯，所以当女士站在男士左方时，最好的办法是男方左手持伞，后者是女士右手持伞，但考虑到是情侣，女方持伞我们不做假定。图6-2如图6-3所示，这是男士左手持伞时的状态，这里有一些问题，首先人们习惯于右手持伞，左手长时间持伞会有一些不习惯，其次大多数伞毕竟是普通伞两个人使用，阻挡雨水的效果不会很好。再者，男士往往习惯于用左手搂住女士的腰，在这种情况下是不可能实现的。图6-3最后还有一个很重要的问题就是身高的因素，如果男方按照如图6-3所示的自己平时持伞的高度持伞，那么女方由于身高的原因必定会左侧淋湿，如果男方把伞低些打，如图6-4所示，那么男士的头就会触到伞，且挡住视线，很是难受。图6-47.2.3情侣伞改良设计分析下面我们针对这些问题进行改良设计，首先我们解决使用几率的问题，这里有一种假设是最理想的，就是男士和女士不在一起时他们都用一把普通的伞，可是当他们见面后通过简单的操作就可将各自的伞组合成一把很好的情侣伞，这是一个完满的假设。下面我们来分析实现的具体方法，考虑到成本因素我们不能对原有的雨伞进行太大改动，那麽就是叠加组合了，这里我们可以发现两把差不多大的雨伞的组合方法有很多如图6-1所示的两种，但是在舒适度上都不是很理想，通过比较，我认为以下组合是最佳方案，且适合深入设计。如图6-5所示,这种组合的好处是:首先，男方此时的手持姿势与自己平时时是相同的，且高度不变。同时伞由男方一人手