CN104818885B - 一种拉簧驱动的剪式铰可展开穹顶式结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑工程以及航天技术领域，旨在提供一种拉簧驱动的剪式铰可展开穹顶式结构。该结构包括至少三个环形单元：杆件与节点部件以铰接方式连接；每两根杆件以低台部位相对由螺丝组装成为剪式铰结构，六个剪式铰结构依次布置并由十二个节点部件连接组成一个环形单元，同一剪式铰结构中位于外部的节点部件通过拉簧与位于内部的同侧节点部件相连；本发明的拢状态尺寸取决于杆件的截面尺寸与长度尺寸，展开状态尺寸取决于杆件的长度尺寸，故收纳率比较高，满足火箭发射的小空间需求和太空中使用的大空间需求，也满足装配施工运输便利需求和建筑空间覆盖需求，折叠状态方便携带，展开状态功能面广。应用面广且呈梯度，经济效应极高。

Description

一种拉簧驱动的剪式铰可展开穹顶式结构

技术领域

本发明是关于建筑工程以及航天技术领域，特别涉及一种适合作为便携帐篷骨架或者可展开天线骨架的拉簧驱动的剪式铰可展开穹顶式结构。

背景技术

在建筑工程领域，装配式建筑的思想已经越来越引起人们的重视。降低施工成本，加快施工速度，是建筑施工的发展趋势；便携便运的便民产品，也渐渐流行于人们的生活之中。传统可展开结构以其方便施工等优点开始了在建筑领域的应用，而大部分局限于一维线展开和二维面展开，展开过程并不能释放三维空间，从而应用领域受限。

在航天技术领域，空间可展开结构主要是为解决航天器多功能、大尺寸需求与运载工具载荷舱容积限制的矛盾而发展起来，其特点在于结构体系的转化和形体尺寸的变化。与此同时，一个折叠的、轻质的结构可以更为安全地渡过伴随着巨大振动荷载的发射阶段。而在大口径可展开天线方面，桁架式展开天线为主流。

为了拓展可展结构在建筑工程领域和航天领域的应用，需要一种可以实现三维展开的自驱动可展开结构。该结构展开过程更为复杂，并在展开的同时释放三维空间。收拢状态尺寸尽量小以使质量集中便携便运，展开状态口径与空间尽量大以便各领域使用，且可以自我机械能转化驱动展开并自我锁定为稳定结构，以节省能源和操作成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中可展开结构的不足，提一种拉簧驱动的剪式铰可展开穹顶式结构。该结构收纳率高、可靠性高、展开快速高效、应用面广。

为解决技术问题，本发明的内容是：

提供一种拉簧驱动的剪式铰可展开穹顶式结构，包括杆件和节点部件，杆件与节点部件以铰接方式连接；所述杆件中部沿其长度方向设有低于杆件表面的低台部位，低台部位的中间设铰链孔，每两根杆件以低台部位相对由螺丝组装成为剪式铰结构，以实现铰旋转过程两杆共面且旋转角度最大化；六个剪式铰结构依次布置并由十二个节点部件连接组成一个环形单元，同一剪式铰结构中位于外部的节点部件通过拉簧与位于内部的同侧节点部件相连；所述可展开穹顶式结构包括至少三个环形单元。

本发明中，所述杆件与节点部件的铰接方式为球腔包球的球铰式，即每个节点部位上均布三个节点球腔，杆件的两端连接球头，球头与节点球腔大小匹配，能自由转动但不会滑脱。

本发明中，所述节点部件呈圆盘形或球形，横向等分为上下两块且由螺丝组装而成。

本发明中，所述杆件与球头的连接方式为下述任意一种：

杆件端部设螺孔，球头上设螺孔，螺杆安装在杆件和球头的螺孔内；或，

杆件端部设螺孔，球头上焊接螺杆，螺杆安装在螺孔内；或，

球头上设螺孔，杆件端部焊接螺杆，螺杆安装在螺孔内；或，

杆件端部焊接球头。

本发明中，所述铰链孔位于杆件1/4～1/2长度区间内。

本发明中，所述低台部位呈Z字形或反Z字形，低台部位仅在对角布置的两端与杆件表面形成台阶，且该两端呈渐缩状。

本发明中，所述节点部件上设置用于固定拉簧的封闭钩环。

本发明中，所述拉簧为等拉力弹簧或者普通弹簧，两端固定于两个节点部件上，该两个节点部件的间距随可展开穹顶式结构的展开过程缩短，拉簧始终为预拉力状态(拉簧能提供展开驱动力，以及在可展开结构处于展开状态时提供承载能力和稳定状态，保持结构平衡与体面均衡)。

本发明中，所述杆件是空心管状结构或实心结构。

本发明的工作原理：通过始终提供预拉力的拉簧或者类似构件实现势能到展开动能的转化从而机构自展开，展开迅速，由于驱动力中心对称机构对称展开，平面方向的冲击力相互抵消，平面法线方向有冲击力，在地面上可由地面承载，在太空中会形成绕固定点(固定点在边缘)的公转或者不会造成明显的翻滚(固定点在中心位置)；展开后立体拓扑关系为足球表面六边形五边形关系，且展开到一定程度结构存在极限，在极限状态依靠提供预拉力的拉簧或者类似构件保证结构的承载力或者稳定可靠性，自然状态下不会逆过程收拢。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的可展开穹顶式结构，其收拢状态尺寸取决于杆件的截面尺寸与长度尺寸，展开状态尺寸取决于杆件的长度尺寸，故收纳率比较高，满足火箭发射的小空间需求和太空中使用的大空间需求，也满足装配施工运输便利需求和建筑空间覆盖需求，折叠状态方便携带，展开状态功能面广。

2、本发明的开展开穹顶式结构，在实现了一般开展开结构的二维面展开的同时，实现了立面的升降，从而更进一步提升了空间三维的收纳率。

3、本发明的可展开穹顶式结构节点融合了普通万向节(球铰)的思想与普通三向节点板的设计模式，可以实现杆件绕节点经线方向>180度旋转与纬线方向>30度旋转的自由态，满足所述的开展开穹顶式结构的特殊需求：杆间角度随展开过程变化。

4、本发明的可展开穹顶式结构采用了预应力的思想，依靠弹性体驱动，同时依靠弹性体承载和维持稳定，可以在瞬间快速从折叠状态转化为展开状态，操作简单，且展开速度大小与展开后承载力大小均可通过调整弹性体数量或弹性系数自行调整，展开稳定，可靠性高。

5、本发明的可展开穹顶式结构构件加工制作简单且规格统一，仅需两种构件形式即可，可方便批量生产，有极高的实用价值和推广价值。

6、本发明的可展开穹顶式结构既可应用于建筑工程领域，作为便携帐篷等便民产品或者大跨穹顶施工，也可应用于航天技术领域，作为可展开天线的新型骨架形式，应用面广且呈梯度，经济效应极高。

附图说明

图1为可展开穹顶式结构的收拢状态示意图。

图2为可展开穹顶式结构的完全展开状态示意图。

图3为杆件示意图。

图4为节点部件连接示意图。

图5为节点圆板上片示意图。

图6为节点圆板上下片装配示意图。

图7为节点连接与杆件铰接示意图。

图8为拉簧连接示意图。

图中的附图标记为：1可展开穹顶式结构；2节点部件；3杆件；4铰链孔；5杆端螺纹孔；6节点圆板；7节点圆板上片；8节点圆板下片；9节点圆板螺纹孔；10节点球腔；11球头；12螺孔；13螺杆；14封闭钩环；15螺钉；16螺丝；17拉簧；18不等分剪式铰结构。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明中的拉簧驱动的剪式铰可展开穹顶式结构，包括若干根结构形状完全相同的杆件3。杆件3的中部沿其长度方向设有低于杆件3表面的低台部位，低台部位的中间设铰链孔4，每两根杆件3以低台部位相对由螺丝组装成基本的不等分剪式铰结构，以实现铰旋转过程两杆共面且旋转角度最大化；六个剪式铰结构依次布置并由十二个完全 相同的节点部件2连接组成一个环形单元，同一剪式铰结构中位于外部的节点部件2通过拉簧17与位于内部的同侧节点部件2相连；可展开穹顶式结构包括至少三个环形单元，每个环形单元外侧节点部件2的组合均为特殊六边形结构块，类似足球表面几何关系组合方式，由此可实现三维立体的展开。

杆件3与节点部件2的铰接方式为球腔包球的球铰式，即每个节点部位2上均布三个节点球腔10，杆件3的两端连接球头11，球头11与节点球腔10大小匹配，能自由转动但不会滑脱，节点部件2可以是圆盘形或球形。

本实施例中，节点部件2是基于球铰原理的三向节点圆板6，其主体呈圆盘形，被横向等分为上下两块，即节点圆板6由螺钉15将节点圆板上片7和节点圆板下片8组装而成。三个节点球腔10可连接三根杆件2且三个连接方向呈120°均布。节点圆板上片7和节点圆板下片8的外表面中心位置分别设置用于固定拉簧17的封闭钩环14。

所述拉簧为等拉力弹簧或者普通弹簧，两端固定于两个节点部件上，该两个节点部件的间距随可展开穹顶式结构的展开过程缩短，拉簧始终为预拉力状态。

杆件3与球头11的连接方式可以有很多种方式，本实施例中，在杆件3端部设螺孔和球头11上设螺孔12，将螺杆13安装在杆件3和球头11的螺孔内以实现连接。如果球头过小或杆件端部过细无法布置螺孔则可以考虑采用焊接手段，即：杆件端部设螺孔，球头上焊接螺杆，螺杆安装在螺孔内；或，球头上设螺孔，杆件端部焊接螺杆，螺杆安装在螺孔内；或，直接就在杆件端部焊接球头。

铰链孔的设置位置可选位于杆件1/4～1/2长度区间内。本实施例是选择四六分的位置点，铰链孔设有螺纹，通过螺丝16连接两个相对的杆件3用于构造剪式铰结构。杆件3的低台部位呈Z字形或反Z字形，低台部位仅在对角布置的两端与杆件3的表面形成台阶，且低台部位的两端呈渐缩状。这样的设计使得两个杆件3在铰旋转过程两杆共面且旋转角度最大化。杆件3是空心管状结构或实心结构，为节约材料减轻重量考虑，可以使用轻质材料或空心结构。

下面对各图中示例进行说明。

如图3所示，所述杆件3的端头有杆端螺纹孔5用于连接节点圆板6，杆件3四六分点有铰链孔4用于构造剪式铰结构，构成剪式铰结构的两杆按照特定切削方式以实现铰旋转过程两杆共面且旋转角度最大化。铰链孔4开设位置不能在杆件3的中点，也不一定在四六分点，但须保证每根杆件的该位置相同。

如图4所示，节点部件是基于球铰原理的三向节点圆板6，可连接三根杆件3且三个连接方向120°均布，每个与杆件3的连接均设为球腔包球的球铰式以实现一定程度的自由转动。

如图5、图6所示，节点圆板6分为上下两片，放入球头11后依靠螺钉15拧紧。

如图7、图8所示，两个杆件3通过彼此铰接以及与节点圆板6球铰接后，形成剪式铰结构。而剪式铰结构则通过前述特定组合关系，构成所需的可展开穹顶式结构，最终的总体积大小由杆件3的长度控制决定。

拉簧17为等拉力弹簧或者普通弹簧，两端固定于两节点上封闭钩环，该两节点间距随展开过程缩短，拉簧17始终设计为预拉力状态，可提供展开驱动力，以及在可展开结构处于展开状态时，提供承载能力和稳定状态，保持结构平衡与体面均衡。拉簧17分布应绕展开结构质心中心对称以保证驱动力平衡和承载力平衡，与节点圆板6的连接可采用不同程度的加强措施。

本发明中，可展开穹顶式结构的安装方法，具体包括下列步骤：

步骤A(剪式铰的安装)：将两根杆件3在铰链孔4位置以螺丝组装，注意长端对长端时要实现咬合，旋转至长端对短端时角度应为设计的锐角角度值。如图3、图7所示。

步骤B(剪式铰与节点的连接)：首先将球头11、螺杆13、杆件3连接起来，然后将球头11放入节点圆板上片7和节点圆板下片8的节点球腔10内，每个节点圆板6的三个球头11或者两个球头11均放入后通过螺钉15拧紧构成整体；注意含三个球头11的节点圆板6需连接一根杆件3的长端(短端)和另外两根杆件3的短端(长端)，含两个球头11的节点圆板6需连接一根杆件3的长端和另外一个杆件3的短端。如图4、图5、图6所示。

步骤C(六边形的环形单元的组装)：根据长端连接短端的原则将步骤B拓展进行，组装为基本的环形单元。

步骤D(整体穹顶式终态结构的组装)：根据足球半球的构建关系将步骤C拓展进行，组装为整体穹顶式终态结构。如图2所示。可展开穹顶式结构为中心对称结构，中心位置处无结构构件。

步骤E(拉簧的安装固定)：将拉簧17放置在展开过程中间距缩短的节点之间，并固定两端，此时拉簧17应有一定预拉力；注意应中心对称布置，数量根据所属承载力增减调整。如图2、图8所示。拉簧17分布应绕展开结构质心中心对称以保证驱动力平衡和承载力平衡，与节点的连接可采用不同程度的加强措施。

在本发明中，根据实际应用需求，材料可调整，尺寸可调整，杆件可镂空以减轻质量，拉簧17可用其他预应力构件替代但需始终保持预拉力，拉簧17可定期更换以保证效果，节点可定期润滑。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种拉簧驱动的剪式铰可展开穹顶式结构，包括杆件和节点部件，杆件与节点部件以铰接方式连接；其特征在于，所述杆件中部沿其长度方向设有低于杆件表面的低台部位，低台部位的中间设铰链孔，每两根杆件以低台部位相对由螺丝组装成为剪式铰结构，以实现铰旋转过程两杆共面且旋转角度最大化；六个剪式铰结构依次布置并由十二个节点部件连接组成一个环形单元，同一剪式铰结构中位于外部的节点部件通过拉簧与位于内部的同侧节点部件相连；所述可展开穹顶式结构包括至少三个环形单元。

2.根据权利要求1所述的可展开穹顶式结构，其特征在于，所述杆件与节点部件的铰接方式为球腔包球的球铰式，即每个节点部位上均布三个节点球腔，杆件的两端连接球头，球头与节点球腔大小匹配，能自由转动但不会滑脱。

3.根据权利要求2所述的可展开穹顶式结构，其特征在于，所述节点部件呈圆盘形或球形，横向等分为上下两块且由螺丝组装而成。

4.根据权利要求2所述的的可展开穹顶式结构，其特征在于，所述杆件与球头的连接方式为下述任意一种：

杆件端部设螺孔，球头上设螺孔，螺杆安装在杆件和球头的螺孔内；或，

杆件端部设螺孔，球头上焊接螺杆，螺杆安装在螺孔内；或，

球头上设螺孔，杆件端部焊接螺杆，螺杆安装在螺孔内；或，

杆件端部焊接球头。

5.根据权利要求1至4任意一项中所述的可展开穹顶式结构，其特征在于，所述铰链孔位于杆件1/4～1/2长度区间内。

6.根据权利要求1至4任意一项中所述的可展开穹顶式结构，其特征在于，所述低台部位呈Z字形或反Z字形，低台部位仅在对角布置的两端与杆件表面形成台阶，且该两端呈渐缩状。

7.根据权利要求1至4任意一项中所述的可展开穹顶式结构，其特征在于，所述节点部件上设置用于固定拉簧的封闭钩环。

8.根据权利要求1至4任意一项中所述的可展开穹顶式结构，其特征在于，所述拉簧为等拉力弹簧或者普通弹簧，两端固定于两个节点部件上，该两个节点部件的间距随可展开穹顶式结构的展开过程缩短，拉簧始终为预拉力状态。

9.根据权利要求1至4任意一项中所述的可展开穹顶式结构，其特征在于，所述杆件是空心管状结构或实心结构。