基于SolidWorks可调节伞骨设计

王丹 邱文珍 李振业

摘要：该文阐述了对新型雨伞结构的研究过程。以现有折叠结构为基础，将伞骨拆分为子母伞骨，调节伞面的有效面积。为了更好的展示研究结果，研究通过使用AutoCAD及SolidWorks软件等对所选的子母伞骨方案进行建模、分析，得到子母伞骨的三维模型及二维工程图。为验证方案可行性，该研究在SolidWorks中对方案进行运动模拟，并采用了3D打印技术对已建立的伞骨模型进行打印。经过三维模型的软件运动模拟及3D打印模型的组装测试，方案可行性得到验证。同时，为了进一步提升雨伞性能，需要进行进一步的研究。

关键词：可调节伞；SolidWorks建模；子母骨架；伞面面积

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）26-0229-03

1 绪论

现如今，各种折叠雨伞品牌多如牛毛，用途却不能满足人们的所有需求。生活中常常会出现这样的问题：当我们只身一人时，可以方便的使用雨伞挡雨，但是当有同行的人没有雨伞时，同撑一把伞往往会使两个人一起淋到雨。若是带较大的雨伞，收纳又成了较为麻烦的问题。因此，新型可调节雨伞成为了当前研究关注的焦点。因此本项目展开了关于可调节雨伞伞骨的研究。

因此，本项目在雨伞面积大小的可调节性方面进行研究，希望通过改变雨伞的骨架结构使雨伞的面积具有一定的可调节性，使其更加能满足人们的日常生活所需。

2 方案设计及数据分析

2.1 折叠雨伞结构分析

为了更好的了解雨伞结构，对其进行结构设计，达到改变雨伞使用面积的目的，首先对雨伞的原始骨架模型进行了测绘（图1）

同时，为了更加详细的了解伞骨的运动模式，根据图1对伞骨进行建模（图2）并观察其运动特点。

由其三维模型及运动仿真可以发现，由于伞布在各关节处的限制及各个骨架的互相作用，对于其与伞柄连接的部分不能改动。于是，经过讨论，项目组决定修改雨伞的第二节伞骨结构，以达到可调节雨伞使用面积的目的。

2.2 方案设计及选用

为了进行结构的改进，并对方案进行评定选择，在制定具体的方案之前，现提出以下三点改进原则：

（1） 结构简单易制作；

（2） 成品适于推广；

（3） 根据“可调节”的需求，设计伞骨的机械结构，使雨伞具有根据实际使用情况实现可调节大小的功能。

根据以上的原则，通过查阅一些相关的资料以及讨论研究后提出如下骨架结构的改进方案：

推出式子母伞骨结构方案：将第二段伞骨分成2节，两节都和原先第二节长度相近，子骨架连接到主骨架，当需要扩大伞面的时候，将子骨架推出，完成伞面的扩大。

本方案采用的子母伞骨不仅可以实现伞面扩大的目的，而且结构简单易操作；同时，子母伞骨的设计又使其收合时简约小巧易收纳，有良好的市场推广性。但同时一些问题也需要后续的解决：因为伞布需要随着伞面面积的增大而增大，所以伞面材料需要弹性材料，需要后续寻找；且两层伞骨的重量问题也需要解决。在重量问题这一方面，解决方案如下：主体与可调节部分使用不同材料，减小伞重量的同时，也一定程度上避免了材料的浪费，提高材料的利用率。或者在子母伞骨上可使用轻质金属，这样伞架的整体重量将大大减小。

2.3 方案数据模拟及结果分析

方案选定之后，首先根据方案内容设计一套基于现有折叠雨伞的数据模拟实验：收集不同种类的折叠雨伞，测量其伞面半径并计算伞面面积；根据以上方案提出的结构计算改进后的伞面半径及面积并进行比较，结果如表1。

其中，伞面面积计算公式为S=π*R2。

为使实验结果更为直观，以上表为基础绘制柱状图（图3）。

通过上表可以得出，根据方案所模拟的结果，伞面的面积有了较大幅度的增加，即通过增长伞骨，可以实现调节伞面面积的效果。

3 方案的建模实现

在一系列数据分析之后，可以知道，本方案通过改变雨伞骨架的第二节，使其成为子母骨架以达到调节雨伞使用面积是可行的。因此为了使可调节雨伞的伞骨架结构更加直观，使用AutoCAD及SolidWorks进行建模实现。

3.1 方案建模

首先，根据图1及以上方案所设计的改进结构，利用AutoCAD制图画出一根伞骨的二维工程图（如图4）。

然后，根据图4并结合雨伞骨架原有的三维模型，在SolidWorks中对伞骨的三维模型进行绘制（如图5）。

由于其结构比较复杂，在此对后续标号进行说明：图6、图7及图8中，标号1、2、3、4为主骨架，标号5、6、7、8为子骨架，且子骨架固定在主骨架内。

可调节伞骨的结构与一般折叠雨伞伞骨架结构的不同之处在于，可调节伞骨中多出来的一小段位于原来伞骨的三角形结构之间，在雨伞收起来时，那一小段重合于原来两段之间，此时雨伞外观与单人伞大小相差不大（如图6）。

作为单人伞使用时，子骨架与母骨架重合，此时用伞面积与市面上普遍出现的伞相同（图7）。但作为双人伞使用时，子骨架滑出，使得伞骨增长，即伞面半径增大，这时伞面面积也随之增大（图8）。

3.2 实际测试结果及分析

得到改进结构后的雨伞的三维模型后，对雨伞半径及实际面积增幅进行了实际数据测量与计算，如表2。为使结果更加直观，以表2为基础绘制了图9。

由上表2及图9可以看出通过可调节伞骨长度的增加，伞面面积的增量增率达到了18.42%，结果符合预期目标，与模拟测试结果相差不大。

4 总结

由以上研究可得到一种可调节伞面大小的新型伞骨结构。将伞骨拆分成子母骨，通过两部分分别推出，以实现伞面面积大小的变换。此伞骨的研究成功解决了两个问题：一是面对多种用伞需求时，可以有效满足不同人数的用伞情况；二是将子母骨架采用不同材料，使结构更加合理，实用性也更高。

同时，这项研究也不是那么的尽善尽美，其中仍有一些需要改进之处。经过初步测评，雨伞面积的增幅约为五分之一，是否能通过结构的改善使这一增幅增加，或是开发新的骨架结构使增幅更可观，需要进一步探讨，这也将是下一步的研究方向。

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