CN103267221B - 一种八面体单元桁架张力蒙皮结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种八面体单元桁架张力蒙皮结构，由八面体单元变几何桁架和超弹性薄膜张力蒙皮组成。八面体单元变几何桁架由一个或多个正八面体基本单元构成，每个正八面体基本单元由十二根等长的桁架杆和六个球节点组成，相邻两正八面体基本单元共用一面。超弹性薄膜蒙皮包裹八面体单元变几何桁架并处于张紧状态，超弹性薄膜蒙皮将压力传递给球节点，球节点将压力传递给桁架杆使其始终受轴向压力而不出现轴向拉力。本发明提供的一种八面体单元桁架张力蒙皮结构，节点构造简单、设计容易，且节点尺寸小，传力路径明确，超弹性薄膜蒙皮将八面体桁架包裹在内，减小环境对八面体桁架的不利影响，可应用于航天、建筑、桥梁工程等领域的变几何桁架结构中。

Description

一种八面体单元桁架张力蒙皮结构

技术领域

本发明涉及新材料结构技术领域，尤其涉及一种可应用于航天、建筑、桥梁工程等领域的八面体单元桁架张力蒙皮结构。

背景技术

变几何桁架是一种较新的航天结构形式，可用于航天器操控臂或空间吊车臂的承载结构。与传统的机械臂相比，变几何桁架伸展臂具有运动灵活、质量小、刚度大及收纳率高等优点。

正多面体是构成变几何桁架的基本单元，而正八面体是变几何桁架最多采用的单元形式，因为正八面体所构成的空间桁架单元为恰静定体系，无内部机构数，也无超静定数。但实际工程中，八面体的每个杆件既可能受轴向压缩，也可能受轴向拉伸，因此需要节点既能够承受一定压力，也能够承受一定拉力。这一要求使得节点设计难度非常大，节点构造复杂，节点尺寸大，从而增加了桁架的自身重量。

发明内容

本发明公开了一种八面体单元桁架张力蒙皮结构，解决了八面体单元变几何桁架节点构造复杂，节点尺寸大的问题，进而减小了桁架的自身重量。

本发明提供了一种八面体单元桁架张力蒙皮结构，其特征在于，所述八面体单元桁架张力蒙皮结构包括：

八面体单元变几何桁架，包括若干桁架杆，各桁架杆连接处设置有球节点，所述若干桁架杆与所述球节点之间接触形成八面体单元变几何桁架；

超弹性薄膜蒙皮，包裹所述八面体单元变几何桁架，所述球节点支撑所述超弹性薄膜蒙皮，所述超弹性薄膜蒙皮处于张紧状态，在所述超弹性薄膜蒙皮的张力作用下，所述各桁架杆与所述球节点之间接触使得所述八面体单元变几何桁架组成一整体。

一些实施例中，所述八面体单元变几何桁架包括一个或多个正八面体基本单元，且所述相邻的正八面体基本单元之间共用一面。

一些实施例中，所述正八面体基本单元包括十二根桁架杆与六个球节点，每三根所述桁架杆形成所述正八面体基本单元的一个面；所述各桁架杆之间通过所述球节点相连，且每三根所述桁架杆共用一所述球节点。

一些实施例中，所述十二根桁架杆全部为可伸缩杆或部分为可伸缩杆。

一些实施例中，所述桁架杆的两端呈半球形凸面。

一些实施例中，所述球节点上设置有六个与所述桁架杆两端的半球形凸面相匹配的半球形凹面，所述半球形凸面设置于所述球节点的半球形凹面内，在所述超弹性薄膜蒙皮张力的作用下所述桁架杆与所述球节点之间完全接触，从而构成所述八面体单元桁架张力蒙皮结构整体。

一些实施例中，所述半球形凹面的球心、顶点和所述球节点的球心在同一条直线上，且所述半球形凹面的球心、顶点和所述球节点的球心的连线与所述桁架杆的轴线同轴。

一些实施例中，所述球节点支撑的超弹性薄膜蒙皮呈双曲抛物面形状。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1）本发明提供的八面体单元变几何桁架球节点始终受压，使得节点设计容易，节点构造简单，球节点与杆连接方便，传力路径明确；

2）所述球节点的尺寸小，自身重量轻，材料用量小；

3）所述超弹性薄膜蒙皮将八面体单元变几何桁架包裹在内，减小环境对八面体单元变几何桁架的不利影响。

附图说明

结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1为本发明提供的八面体单元桁架张力蒙皮结构示意图；

图2为八面体单元变几何桁架结构示意图；

图3为超弹性薄膜蒙皮结构示意图；

图4为桁架杆结构示意图；

图5为球节点结构示意图；

图6为桁架杆与球节点组装件分离图；

图7为八面体单元桁架张力蒙皮结构节点局部示意图。

符号说明：

1-八面体单元变几何桁架

2-桁架杆

21-半球形凸面

3-球节点

31-半球形凹面

4-超弹性薄膜蒙皮

5-支撑超弹性薄膜蒙皮的节点

6-相邻正八面体基本单元共用的三根桁架杆

7-超弹性薄膜蒙皮双曲抛物面

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

现参考附图1-7，详细描述本发明提供的一种八面体单元桁架张力蒙皮结构，该八面体单元桁架张力蒙皮结构包括八面体单元变几何桁架1和超弹性薄膜蒙皮4，超弹性薄膜蒙皮4包裹八面体单元变几何桁架1，并处于张紧状态。其中，八面体单元变几何桁架1由一个或多个正八面体基本单元构成，且相邻两正八面体基本单元共用一面。

在本实施例中，如图2所示，八面体单元变几何桁架1包括两个正八面体基本单元，如图3所示，超弹性薄膜蒙皮4呈筒状。如图1所示，超弹性薄膜蒙皮4包裹于八面体单元变几何桁架1上。当然此处只是一种举例，具体实施过程中可根据具体情况来设计正八面体基本单元的个数以及超弹性薄膜蒙皮4的形状，此处不作限制。具体的，每个正八面体基本单元包括十二根等长的桁架杆2和六个球节点3，每三根桁架杆2形成正八面体基本单元的一个面，各桁架杆2之间通过球节点3相连，且每三根桁架杆2共用一球节点3，从而十二根等长的桁架杆2和六个球节点3组成了正八面体基本单元的八个面和六个顶点。相邻的两正八面体基本单元共用三个桁架杆，如图2所示，上下两正八面体基本单元共用了三根桁架杆6，且同时六根桁架杆共用一球节点。

在本实施例中，如图4所示，桁架杆2呈直线形圆杆状，其两端呈半球形凸面21，且若干桁架杆中部分为可伸缩杆或全部为可伸缩杆，可以伸长或缩回到原长，使八面体单元变几何桁架1成为一种变几何桁架，当然桁架杆2中为拉伸杆的数量不限定，可根据具体情况而定。如图5所示，球节点3上设置有六个与桁架杆2两端的半球形凸面相匹配的半球形凹面，且球半球形凹面21的球心、顶点和球节点3的球心在同一条直线上，且三者的连线与桁架杆2的轴线同轴。如图5所示，桁架杆2两端的半球形凸面21分别设置于各球节点3的半球形凹面31内，且两者之间只是相接触而没有连接成整体，在弹性薄膜蒙皮4的张力作用下，保证了八面体单元变几何桁架1的整体性。

本发明提供的八面体单元桁架张力蒙皮结构内部连接过程以及受力状况如下：

十二根桁架杆2与六个球节点3之间相互组合形成一正八面体基本单元，两个正八面体基本单元共用三根桁架杆2和三个球节点3组合形成八面体单元变几何桁架1。具体的，各桁架杆2两端的半球形凸面21分别设置于各球节点的半球形凹面31内，半球形凸面21与半球形凹面31相接触且没有连接成整体，因此此时桁架杆与球节点之间只传递压力，而不传递拉力。弹性薄膜蒙皮4包裹住整个八面体单元变几何桁架1，且各球节点3支撑弹性薄膜蒙皮4并呈双曲抛物面形状，如图7 所示。具体的参考图1所示，四个球节点38、32、33以及34支撑弹性薄膜蒙皮4形成双曲抛物面，球节点35、36、33以及37支撑弹性薄膜蒙皮4形成双曲抛物面。

弹性薄膜蒙皮4包裹住整个八面体单元变几何桁架1且处于张紧状态，弹性薄膜蒙皮4中有张力作用，张紧的弹性薄膜蒙皮4与球节点3相接触，并将压力传递给球节点3，球节点3与桁架杆2相接触且将压力传递给桁架杆2，使得桁架杆2始终受轴向压力，而不出现轴向压力，同时保证了八面体单元变几何桁架1的整体性，从而使得八面体单元变几何桁架1能够承受一定载荷。本发明提供的一种八面体单元桁架张力蒙皮结构，采用以上所述的结构设计使得节点设计容易，节点构造简单，节点尺寸小，传力路径明确。弹性薄膜蒙皮将八面体单元变几何桁架包裹在内，减小环境对八面体单元变几何桁架的不利影响，可应用于航天、建筑、桥梁工程等领域的变几何桁架结构中。

综上所述，本发明提供了一种八面体单元桁架张力蒙皮结构，由八面体单元变几何桁架和超弹性薄膜蒙皮组成。八面体单元变几何桁架由一个或多个正八面体基本单元构成，每个正八面体基本单元由十二根等长的桁架杆和六个球节点组成，相邻两正八面体基本单元共用一面。超弹性薄膜蒙皮包裹八面体单元变几何桁架并处于张紧状态，超弹性薄膜蒙皮将压力传递给球节点，球节点将压力传递给桁架杆，使其始终受轴向压力而不出现轴向拉力。本发明提供的一种八面体单元桁架张力蒙皮结构，节点构造简单、设计容易，且节点尺寸小，传力路径明确。此外，超弹性薄膜蒙皮将八面体单元桁架包裹在内，减小环境对八面体单元桁架的不利影响，可应用于航天、建筑、桥梁工程等领域的变几何桁架结构中。

因本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (7)

1.一种八面体单元桁架张力蒙皮结构，其特征在于，所述八面体单元桁架张力蒙皮结构包括：

八面体单元变几何桁架，包括若干桁架杆，所述桁架杆的两端呈半球形凸面，各桁架杆连接处设置有球节点，所述球节点上设置有与所述桁架杆两端的半球形凸面相匹配的半球形凹面，所述若干桁架杆与所述球节点之间接触形成八面体单元变几何桁架；

超弹性薄膜蒙皮，包裹所述八面体单元变几何桁架，所述球节点支撑所述超弹性薄膜蒙皮，所述超弹性薄膜蒙皮处于张紧状态，在所述超弹性薄膜蒙皮的张力作用下，所述各桁架杆与所述球节点之间接触使得所述八面体单元变几何桁架组成一整体。

2.根据权利要求1所述的八面体单元桁架张力蒙皮结构，其特征在于，所述八面体单元变几何桁架包括一个或多个正八面体基本单元，且相邻的所述正八面体基本单元之间共用一面。

3.根据权利要求2所述的八面体单元桁架张力蒙皮结构，其特征在于，所述正八面体基本单元包括十二根桁架杆与六个球节点，每三根所述桁架杆形成所述正八面体基本单元的一个面；所述各桁架杆之间通过所述球节点相连，且每三根所述桁架杆共用一个所述球节点。

4.根据权利要求3所述的八面体单元桁架张力蒙皮结构，其特征在于，所述十二根桁架杆全部为可伸缩杆或部分为可伸缩杆。

5.根据权利要求4所述的八面体单元桁架张力蒙皮结构，其特征在于，所述球节点上设置有六个与所述桁架杆两端的半球形凸面相匹配的半球形凹面，所述半球形凸面设置于所述球节点的半球形凹面内，在所述超弹性薄膜蒙皮张力的作用下所述桁架杆与所述球节点之间完全接触，从而构成所述八面体单元桁架张力蒙皮结构整体。

6.根据权利要求5所述的八面体单元桁架张力蒙皮结构，其特征在于，所述半球形凹面的球心、顶点和所述球节点的球心在同一条直线上，且所述半球形凹面的球心、顶点和所述球节点的球心的连线与所述桁架杆的轴线同轴。

7.根据权利要求1或3所述的八面体单元桁架张力蒙皮结构，其特征在于，所述球节点支撑的超弹性薄膜蒙皮呈双曲抛物面形状。