哈尔滨工业大学大一年度项目结题报告最终版——尹航

编号：

哈尔滨工业大学

大一年度项目结题报告

项目名称：新型防风抗翻雨伞的研究与设计

项目负责人：尹航学号：6123310701

联系电话：187********

电子邮箱：568174843@https://www.sodocs.net/doc/4110906078.html,

院系及专业：英才学院土木工程

指导教师：邵永松职称：教授

联系电话：137********

电子邮箱：shaoyongsong@https://www.sodocs.net/doc/4110906078.html,

院系及专业：土木学院钢结构

哈尔滨工业大学基础学部制表

填表日期：2013年6月5日

二、指导教师意见

三、项目专家组意见

四、项目成果

新型防风抗翻雨伞的研究与设计

英才学院尹航杨月明赵增阳张赞

指导教师邵永松教授

摘要：雨伞作为生活必备物品，除了长时间使用时结构老化，另一主要的损坏原因为强风吹翻雨伞后破坏雨伞骨架结构。本项目旨在改善雨伞抗风防翻性能。进度安排是首先经过对现有防风伞利弊的汇总与分析以及小组成员的积极思考，在对比每个人的思路后确定我们最终改造方向。在初期手工改造后进行性能的对比测试，由实验结果完成进一步改良，最后达到较理想效果。具体方法是用普通雨伞在伞面上打开若干减压孔，并分别在伞的正面采用鳞片结构对减压孔进行遮挡，使伞同时具有抗风和挡雨功能，最终得到创新成果——透气伞。其创新性在于抛弃了传统加固雨伞来硬性抗风的理念，采取了引导风从伞面穿过的方法，方案新颖，同时方案便于手工操作，基本没有增加雨伞成本和制作难度。

关键词：雨伞；防风抗翻；减压孔；鳞片结构；透风

一课题背景

现有的雨伞在遇到刮强风的下雨天，会在人没有防备的情况下外翻，让撑伞人很苦恼，甚至损伤到雨伞。现在对雨伞此方面缺陷的研究，多是对伞的钢结构进行加强或改变伞结构的大体造型，使雨伞更加牢固或减弱风对结构冲击力的影响。但是由于成本、现实应用性不大等方面的局限，成果都没有得到广泛认可和推广。而这种改造所带来的经济利益不足以吸引更多的研究设计，雨伞防风抗翻性能的改善陷入了停滞。同时每年雨伞的产销量大致在几十万把，除了使用时间过长导致的雨伞更新换代，强风吹翻雨伞导致损坏的因素在伞的更换情况中大致占据了十分之一的比例，如此此问题导致雨伞的额外消耗是一个很大的数字，这也成为了一个亟待解决的问题。

所以经过与指导教师的多次交谈以及我们小组内部的讨论，我们决定通过对现有资源的借鉴和自己的创新设计对现有的雨伞伞面和支架结构进行自主的学习和改进，来改善雨伞防风抗翻能力，同时达到增强小组成员的力学基础知识，搜集、汇总、筛选、使用信息能力和创造性设计、动手制作、小组合作能力的提高的目的。

二课题研究内容与方法

1．研究内容

（1）学习现有的防风雨伞的结构

伞面结构、内部支架结构、相对普通伞结构的改变、折叠伞和普通大伞二者结构在防风抗翻和日常使用中各自的优势及不足

（2）现有雨伞防风抗翻的原理

材料方面、受力结构方面

（3）现有雨伞在防风抗翻方面的缺陷

轻便与防风抗翻效果不能兼备、正面抗风与防翻功能不能兼备、防风伞成本过高不适合普及使用

（4）在实际雨伞制作中发现的伞的造型对防风抗翻的影响

伞面弧度、伞面跨度、伞面大小、伞面形状、伞面是否对称

（5）对改造前后雨伞性能进行实验对比测试

（6）分析制作失败的原因和实验中发现的雨伞设计的缺陷并着力解决这些问题

如：对伞面分割后破坏了伞面的完整性，使得割口处的伞布受风会撕开；

分层的伞面在雨当伞面扬起透风同时会漏雨。

2．研究方法

（1）对于“研究内容的（1）（2）（3）”这三个方面：

我们均采用对现有具有典型性防风伞资料的搜集整理来完成目标。我们首先共同学习了关于雨伞结构的基本知识，了解各部分骨架的名称、作用、连接方式，之后我们采取独立学习，分享交流的方法完成余下的任务。即共同确定四种现有的改良雨伞思路及产物，然后责任到人，小组四个成员每个人负责一种改造设计方案的资料整理与学习分析，最后我们将各自的成果汇总，并从中选取一些适合的思路与创意应用我们的设计中去，同时他们存在的问题在我们之后的项目中来想方法避免或改进。

（2）对于“研究内容（4）”:

这一方面的研究内容设计到雨伞的实际制作，为项目计划的关键部分。首先我们运用所掌握的物理中力学的知识以及自主学习相关空气动力学知识来分析如何改变伞面的弧度大小才能既不影响遮雨的效果又能使雨伞抗风能力提升，及思考如何改变伞面的造型才能使雨伞受风的面积减少，如何使风作用力及力矩最小及使大多数作用力从脆弱的伞骨和伞面转移到坚固的伞柄。之后，对现有的普通雨伞依照我们的设计，手工进行改造。

（3）对于“研究内容（5）”：

我们采取对比试验的方法，选择一个风力合适时间。将两把原本相同，现其中一本经过改造的雨伞举于同一地点，伞面朝向同一方向均为被风方向，观察两把雨伞是否会被吹翻。若都未吹翻，则更换到风力更强的地点；都被吹翻，则更换到风力更弱的地点；否则，我们则可得出二者抗风防翻性能的差异。以上测试，重复多次。

（4）对于“研究内容（6）”中我们发现的问题：

其中“对伞面分割后破坏了伞面的完整性，使得割口处的伞布受风会撕开”我们通过转变分割方法，不再直接切割伞面，而是转为直接制作多个伞面片，再相互重叠着固定到伞骨上来避免伞面撕裂的问题。

而“分层的伞面在雨当伞面扬起透风同时会漏雨”的问题我们通过制作双层伞面的方法，交错着打开缝隙，使得风依然可以透过同时不会漏雨。

（5）具体研究流程

三 研究结果

1.资料获取与分析

（1）现有思路一：增加伞骨数量（如图1）

原理：普通伞只有8根伞骨，此伞通过增加到24根保证了伞结构的极强稳定性。

缺陷：因伞骨的数量和强度增加使得该伞的重量远大于

普通雨伞，携带不便；伞骨数目的增多使伞成本提高。[1]

（2）现有思路二：改变伞骨材质（如图2）

原理：利用“纤维伞骨”

韧性大，重量轻的特点，即使雨伞在强风下被吹弯的情况下伞架伞骨都不会损坏，可迅速

复原 。

缺陷：使用韧性大的伞骨只是保证了伞结构在弯折的情况下不被破坏，仍没有解决抗翻防风影响人们使用的问题；

且伞骨材质特殊使得成本提高。[1] （3）现有思路三：偏心伞 （如图3）

原理：总以有伞柄的半侧迎风，这样大多数力由非常牢固的伞柄承受，减轻伞面之下较脆弱的伞架或伞骨的受力，达到了减弱正面迎风对伞的破坏。

缺陷：使伞结构变复杂，且没有防翻的效果，相对普通雨伞改变不大，没有大量推广的必要。[2] （4）现有思路四：非对称雨伞 （如图4）

原理：根据风向，可对伞面的朝向自主做出调整，总以伞面较短一侧迎风。风的作用力会主要作用在正面最短的伞骨上。而且此时后方长伞骨一侧接近与地面平行，而风向大多数都会接近与地面平行或夹角很小，这样使容易损坏的长伞骨一侧从而不会受到过大的力的影响。这样风可以顺利的从伞的表面划过 。[3]

缺陷：遮雨面积小，而且伞面必须成特定的角度，对制作工艺要求较高。

2.研究思路

考虑到大多数现有的设计都是通过改变雨伞结构，技术支持很薄弱，无法在改造结构方面取得较好成果。因此我们转变解决问题的角度，从想办法御风的破坏，变堵为疏，通过设计使风能够从伞面穿过，从而大大减弱风对雨伞的影响。

图1多骨架伞 图2纤维伞骨伞

图3偏心伞

3.设计：仿照百叶窗及瓦片的结构布局

(1)原理

如图5为我们日常能见到的百叶窗型的排风口。我们可以想象一下如果风从百叶窗的后方吹来，可以微微吹起百叶窗的扇片，从而透过缝隙吹出。同时如果有雨水从正面洒向百叶窗，因为每个扇片彼此重叠，水无法进入其中。我们可以把这种结构应用到伞面的改造上。 (2)制作1

伞面本为一个密不透风的整体，使得当有强风吹伞面上时，伞要承受全部的作用力。我们是把4个1/8伞面分割成三个重叠的部分，再把每一层向上移动一小段距离，达到每一部分都与下面一层部分重叠，就像三层瓦片一样，用针线缝合每一层与左右侧伞面的连接处。达到图6中的效果 (3)制作2

由于在分析雨伞工作状况和进行性能测试的过程中发现初期制作的雨伞存在着 “分层的伞面在雨当伞面扬起透风同时会漏雨”这样的缺陷，我们就此进行了进一

步改造。

方法：采用双层伞面（原理如图7）

在另外四个伞面采取双层伞面的构造。在原伞面上均匀等间隔地开三排大小均相同孔洞，从上到下每排开的孔洞数为2,4,6个。用其他伞的伞布做成鱼鳞形的伞面叶，每个八分之一伞面固定三层伞面叶，每层伞面叶从上到下分别有1,2,3个叶片，每个叶片都对准两个圆孔，并用伞骨及针线固定住它们，照此完成间隔的4个八分之一伞面。这样上层可作为挡雨层，下层作为泄风层，对下方来风的冲击力达到削弱效果。

这样之前的雨伞的缺陷“泄风时当伞面扬起透风同时会漏雨”，对于进一步改良后的雨伞，当风从下方吹来时从圆孔中从下到上透出，之后吹起伞面片。此时，当雨水落下时会顺着下层伞面继续向下

流，而下一层的孔洞被第二层的伞面片挡住，水因此不会从圆孔中漏出。 因此解决了这一问题。 4.实验测试

（1）通过模拟降水的实 验，检测雨伞改进是否影 响其防雨性能. （如图9,10）

（2）抗风性测试

在起风的下雨天，在室外风力雨力合适的地点对改造前后的雨伞进行防翻能力的对比试验（如图11,12）

图11 图12

表对比试验数据表

（注：其中较强的风力一直难以遇到，则我们通过将两种雨伞提高，迅速下拉的方式模拟较强的风力）5.成品：透气防风抗翻伞（如图13,14,15,16）

图13正面效果图图14背面效果图

图15正面细节图图16背面细节图

四创新点

本项目对普通雨伞通过在伞面设置减压孔，并分别在伞的正、反两面用鳞片结构和引流层对减压孔进行遮挡，使伞同时具有双向抗风和挡雨功能。在没有进行伞架结构加强，没有使用新型材料的基础上，独立实现了雨伞抗风防翻性能的一定程度改善，同时未对遮雨功能产生削弱。

五结束语

大一年度项目计划是旨在培养我们创新的思维与能力，锻炼制定并完成项目的流程，熟悉与导师之间的交流和同学之间的合作能力。相信通过这一年来的共同努力，小组成员之间，以及成员与导师之间的讨论交流让我们每个人受益匪浅。而这一年我们投入到项目中的努力，让我们提前接触到完成科技项目所需要的严谨、求实的态度，创新、思考的过程，汇报、展示的锻炼这些方面，对我们之后的成长和项目学习奠定了一个良好的基础，

六参考文献

[1] 熊兴福、李晓东、万莉. 《伞具的设计分析》. 包装工程，2007.11刊

[2]《雨伞抗风性能的突破》. 英国每日邮报

[3]《中国双层防风雨伞行业发展研究报告》.北京盛华博智信息技术研究院.2011-12-25

[4] 安德森.《空气动力学基础》.航空工业出版社.2010-02-01