CN106892135A - 气柱及基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气柱和基于该气柱的多种桁架模块和桁架结构，该气柱为采用弹性高纤气密织物的气胀式结构。本发明的气柱及基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构，能够解决大跨度桁架结构总体装配困难、维护困难等问题，这种基于气柱刚柔结合的桁架结构装配灵活，操作方便，可以有效降低制造成本、装配工装成本及工程时间成本。
Description
技术领域
本发明涉及空间桁架技术领域，特别涉及一种气柱和基于气柱的桁架模块和桁架结构。
背景技术
桁架结构是工程领域最为常用的一种结构形式，具有结构简单、形式多样、受力合理、空间适应强、结构布置灵活和施工方便等特点，因此被广泛应用于建筑、航空、航天、船舶、化工等领域。
随着材料技术的不断进步及桁架结构设计方法的逐步完善，新型桁架结构已经朝着轻量化、模块化和刚柔结合等方向快速发展，尤其是在航空、航天工程领域，早期广为应用的金属桁架结构已经逐渐被轻质高强的碳纤维桁架结构所取代，近些年来又出现了用钢索与碳纤维杆件构造的刚柔结合的桁架结构，其优点是重量轻，结构性能优异，耐腐蚀，抗疲劳等，但在实际工程应用也存在着一些弊端，具体包括：由于钢索只能承拉，不能抗压，因此只能依据结构分析结果，将钢索布置在拉应力分布的位置，在应用上具有一定的局限性；装配工艺复杂，装配工序繁冗，需要投入大量的装配工装来保证结构总体的装配精度；使用过程中，钢索容易出现松弛现象，造成预应力下降，进而影响结构的刚性及承载能力。
因此，如何在现有的桁架结构中引入柔性元件，以适应市场的需求是目前的技术方向。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，本发明提供一种气柱和基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构，这些桁架模块和桁架结构具有结构可靠、装配简单的特点。
根据本发明的第一方面，提供一种气柱，该气柱包括气胀式膜结构的柱身和两个收紧接口，两个收紧接口分别密封固定于柱身的两端，气胀式膜的材质为弹性高纤气密织物，气柱通过充气使膜结构成型进而具有使用强度。
根据本发明的第二方面，提供一种基于该气柱的桁架模块，该桁架模块为由轻质刚性弦杆搭接而成的六面体框架结构，六面体框架的中心部分设有多向节点球，多向节点球上设有至少一组关于多向节点球相对称设置的两个气柱，两个气柱均沿六面体框架结构的体对角线设置，两个气柱的一端与多向节点球在多向节点球上相互对称的位置连接，两个气柱的另一端分别与六面体框架的对角连接。
根据本发明的第三方面，提供另一种基于该气柱的桁架模块，该桁架模块包括两根轻质刚性弦杆和位于两根轻质刚性弦杆之间的气柱，气柱相对于两根轻质刚性弦杆均倾斜设置，气柱的两个收紧接口分别与两根轻质刚性弦杆连接。
优选，该桁架模块还包括轻质刚性腹杆，轻质刚性腹杆位于两根轻质刚性弦杆之间，且与两根轻质刚性垂直；轻质刚性腹杆的一端与气柱的一端在一根轻质刚性弦杆的同一点连接，轻质刚性腹杆的另一端与气柱的另一端分散连接于另一根轻质刚性弦杆上。
优选，桁架模块还包括收紧装置，气柱的两端收紧接口分别通过收紧装置与两根轻质刚性弦杆可伸缩连接。
优选，两根轻质刚性弦杆和轻质刚性腹杆均为碳纤维杆。
根据本发明的第四方面，提供再一种基于该气柱的桁架模块，该桁架模块包括两根轻质刚性弦杆和位于两根轻质刚性弦杆之间的气柱，气柱垂直于两根轻质刚性弦杆，气柱的两个收紧接口分别与两根轻质刚性弦杆连接。
优选，桁架结构还包括轻质刚性腹杆，轻质刚性腹杆位于两根轻质刚性弦杆之间，且相对于两根轻质刚性倾斜设置。
轻质刚性腹杆的一端与气柱的一端在一根轻质刚性弦杆的同一点连接，轻质刚性腹杆的另一端与气柱的另一端分散连接于另一根轻质刚性弦杆上。
根据本发明的第五方面，提供一种基于该气柱的桁架结构，该桁架结构包括气柱、第一桁架和第二桁架，第一桁架和第二桁架相互连接形成T字型结构或者十字型结构，气柱作为T字型结构或十字型结构的斜支撑其两端收紧接口分别固定在第一桁架和第二桁架上。
优选，第一桁架和/或第二桁架是由轻质刚性弦杆直接搭接而成的桁架结构，或由若干个普通桁架模块组合而成的桁架结构，或以上三种特殊桁架模块组合而成的桁架结构。
本发明的气柱及基于气柱的刚柔结合的桁架模块，装配灵活，操作方便，可以有效降低制造成本及装配工装的投入。本发明的基于气柱的桁架结构能够解决大跨度桁架结构总体装配困难、维护困难的问题，满足跨度大、质量轻的技术需求。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明实施方式的气柱和基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构的一种桁架模块的示意图；
图2和图3示出了根据本发明实施方式的气柱和基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构的另一种桁架模块的示意图；
图4示出了根据本发明实施方式的气柱和基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构的再一种桁架模块的示意图；
图5示出了根据本发明实施方式的气柱和基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构的一种桁架结构的示意图；
图6示出了根据本发明实施方式的气柱和基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构的另一桁架结构的示意图；
图7示出了根据本发明实施方式的气柱和基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构的桁架结构中气柱与轻质刚性弦杆和轻质刚性腹杆的连接示意图；
图8示出了根据本发明实施方式的气柱和基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构的收紧装置、收紧接口和耳片的连接示意图；
图9示出了根据本发明实施方式的气柱和基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构的收紧装置、收紧接口和耳片的连接的剖面图；
图10示出了根据本发明实施方式的气柱和基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构的收紧接口的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，提出一种气柱以及基于该气柱的刚柔结合的五种结构，这五种结构既可以受拉，又可承压，具有结构布置灵活，便于结构布局的特点，并且结构应用领域广泛，特别是本发明提供的两种桁架结构由于跨度大、质量轻的特点在航天、航空工程领域具有珍贵的应用价值。
如图1和图8所示，本发明的气柱2包括气胀式膜结构的柱身和两个收紧接口6，两个收紧接口6分别密封连接于柱身的两端，气胀式膜的材质为弹性高纤气密织物。气柱2通过调节内外压差改变结构刚度，以适应更多、更复杂工况。接头的材质根据具体工况选择，可采用金属结构，也可采用复合材料结构。在一个具体的实施例中，收紧接口6为法兰面螺钉接口。
本发明提供的第一种基于该气柱形成的刚柔结合的结构为一种桁架模块，该桁架模块为由轻质刚性弦杆1搭接而成的六面体框架结构，六面体框架的中心部分设有多向节点球3，多向节点球3上设有至少一组关于多向节点球3相互对称的两个气柱2，这两个气柱2均沿六面体框架结构的体对角线设置，这两个气柱2的一端与多向节点球3在多向节点球上相互对称的位置连接，这两个气柱2的另一端分别与六面体框架的相对的两个角连接。
在本实施方式的一个具体实施例中，具体如图1所示，多面体框架为由12根轻质刚性弦杆1搭接而成的正方体框架，框架内部一个多向节点球和8个气柱2，8个气柱2分为四组两两关于多向节点球对称设置，同一组的两个气柱2均沿正方体的体对角线设置，同一组的两个气柱2的一端收紧接口6与多向节点球3在多向节点球3上相互对称的位置连接，同一组的两个气柱2的另一端收紧接口6在正方体的相对的两个角上通过连接件与构成正方体三条棱的三根轻质刚性弦杆1共同连接。
本发明提供的第二种基于该气柱的刚柔结合的结构为另一种桁架模块，如图2所示，包括两根轻质刚性弦杆1和位于两根轻质刚性弦杆1之间的气柱2，气柱2相对于两根轻质刚性弦杆1均倾斜设置，气柱2的两个收紧接口6分别与两根轻质刚性弦杆1连接。
该桁架模块还包括轻质刚性腹杆4，轻质刚性腹杆4位于两根轻质刚性弦杆1之间，且与两根轻质刚性1垂直连接，轻质刚性腹杆4的一端与气柱2的一端在一根轻质刚性弦杆1的同一点连接，轻质刚性腹杆4的另一端与气柱2的另一端分散连接于另一根轻质刚性弦杆1上。
在本实施方式的一个具体实施例中，如图3所示，该桁架模块包括两根轻质刚性弦杆1，三根气柱2和四根轻质刚性腹杆4，四根轻质刚性腹杆4间隔垂直设置于两根轻质刚性弦杆1之间，形成三个并列相邻的正方形框架，三根气柱2对应设置于三个方形框架的对角线处，三根气柱2依次首尾相接，并分别与对应的轻质刚性腹杆4连接。该桁架模块中，位于同一点的两根气柱的收紧接口6和刚性腹杆4的端头通过一连接件共同连接在弦杆1上。
本发明提供的第三种基于该气柱的刚柔结合的结构为再一种桁架模块，包括两根轻质刚性弦杆1和位于两根轻质刚性弦杆1之间的气柱2，气柱2垂直于两根轻质刚性弦杆1，气柱2的两个收紧接口6分别与两根轻质刚性弦杆1连接。桁架模块还包括轻质刚性腹杆4，轻质刚性腹杆4位于两根轻质刚性弦杆1之间，且相对于两根轻质刚性1倾斜设置；轻质刚性腹杆4的一端与气柱2的一端收紧接口6在一根轻质刚性弦杆1的同一点连接，轻质刚性腹杆4的另一端与气柱2的另一端收紧接口6分散连接于另一根轻质刚性弦杆1上。其中，轻质刚性弦杆和轻质刚性腹杆均为碳纤维杆。
在本实施方式的一个具体实施例中，如图4所示，该桁架模块包括两根轻质刚性弦杆1，两根气柱2和五根轻质刚性腹杆4。五根轻质刚性腹杆4中的两根与两根气柱2共同间隔竖直设置于两根轻质刚性弦杆1之间，形成三个相邻并列的正方形框架，其中两根气柱2均位于两根轻质刚性腹杆之间，剩余三根轻质刚性弦杆对应设置于三个方形框架的对角线处。该三根轻质刚性弦杆依次首尾相接。该桁架模块中，位于同一点的两根腹杆4的端头和一根气柱2的收紧接口通过连接件共同连接在弦杆1上。
本发明提供的第四种基于该气柱的刚柔结合的结构为一种桁架结构，如图5所示，桁架结构包括气柱2、第一桁架和第二桁架，第一桁架和第二桁架相互连接形成T字型结构，气柱2作为T字型结构的斜支撑其两端分别固定在第一桁架和第二桁架上。具体地，该气柱2的个数为两个，对称连接于T字型桁架结构上。另外，需要说明的是，此种桁架结构中的第一桁架和第二桁架可以是由轻质刚性弦杆直接搭接而成的桁架结构，也可以是由若干个普通或以上三种特殊桁架模块单元组合而成的桁架结构。
本发明提供的第五种基于该气柱的刚柔结合的结构为另一种桁架结构，如图6所示，该桁架结构包括气柱2、由多个桁架模块组合成的第一桁架和由一个或多个桁架模块组合成的第二桁架，第一桁架和第二桁架相互连接形成十字型结构，气柱2作为十字型结构的斜支撑其两端分别固定在第一桁架和第二桁架上。具体地，该气柱2的个数为四个，分别连接在十字型桁架结构的相邻两个端头的桁架模块的轻质刚性弦杆上。同样地，此种桁架结构中的第一桁架和第二桁架可以是由轻质刚性弦杆直接搭接而成的桁架结构，也可以是由若干个普通或以上三种特殊桁架模块单元组合而成的桁架结构。
另外，在以上五种桁架模块或桁架结构中，气柱2的两端收紧接口6分别通过收紧装置5与刚性弦杆可伸缩连接。收紧装置调节到位后，使气柱处于有效的适宜张紧状态。
具体如图7所示，该收紧装置5的一端与收紧接口6连接，另一端与轻质刚性弦杆上的连接件连接。具体地，如图8～图10所示，该收紧装置5为双侧螺纹连接件，双侧螺纹连接件通过单耳片螺钉实现一侧与轻质刚性弦杆上的连接件可伸缩连接，收紧接口6为法兰面螺钉，双侧螺纹连接件的另一侧与法兰面螺钉可伸缩连接，通过旋转双侧螺纹连接件控制两侧螺钉伸缩，从而调节拉紧气柱2。
综上所述，本发明的气柱及基于气柱的刚柔结合的桁架模块和桁架结构具有以下有益效果：
1.重量轻，耐腐蚀，力学性能和抗疲劳性能优异。
2.稳定性好，具有优异的抗震性能。
3.结构简单，便于拆装、维护和运输。
4.装配过程简单，降低了装配难度以及装配工艺对工装的依赖。
5.气柱即可承拉，又可承压，且可通过调节内外压差改变结构刚度，能够适应更为复杂的工况。
6.便于外场作业，可实现快速展开。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种气柱(2)，其特征在于，包括气胀式膜结构的柱身和两个收紧接口(6)，所述两个收紧接口(6)分别密封固定于所述柱身的两端，所述气胀式膜的材质为弹性高纤气密织物，所述气柱(2)通过充气使膜结构成型进而具有使用强度。
2.一种基于如权利要求1所述的气柱的刚柔结合的桁架模块，其特征在于，
所述桁架模块为由轻质刚性弦杆(1)搭接而成的六面体框架结构，所述六面体框架的中心部分设有多向节点球(3)，所述多向节点球(3)上设有至少一组关于所述多向节点球(3)相互对称的两个所述气柱(2)，所述两个气柱(2)沿所述六面体框架结构的体对角线设置，所述两个气柱(2)的一端与所述多向节点球(3)在多向节点球上相互对称的位置连接，所述两个气柱(2)的另一端分别与所述六面体框架的对角连接。
3.一种基于如权利要求1所述的气柱的刚柔结合的桁架模块，其特征在于，
所述桁架模块包括两根轻质刚性弦杆(1)和位于所述两根轻质刚性弦杆(1)之间的所述气柱(2)，所述气柱(2)相对于所述两根轻质刚性弦杆(1)均倾斜设置，所述气柱(2)的两个收紧接口(6)分别与所述两根轻质刚性弦杆(1)连接。
4.如权利要求3所述的桁架模块，其特征在于，
所述桁架模块还包括轻质刚性腹杆(4)，所述轻质刚性腹杆(4)位于所述两根轻质刚性弦杆(1)之间，且与所述两根轻质刚性(1)垂直连接；其中，所述轻质刚性腹杆(4)的一端与所述气柱(2)的一端收紧接口(6)在一根轻质刚性弦杆(1)的同一点连接。
5.如权利要求3或4所述的桁架模块，其特征在于，
所述桁架模块还包括收紧装置(5)，所述气柱(2)两端的收紧接口(6)分别通过所述收紧装置(5)与所述两根轻质刚性弦杆(1)可伸缩连接。
6.如权利要求3或4所述的桁架模块，其特征在于，
所述两根轻质刚性弦杆(1)和所述轻质刚性腹杆(4)均为碳纤维杆。
7.一种基于如权利要求1所述的气柱的刚柔结合的桁架模块，其特征在于，
所述桁架模块包括两根轻质刚性弦杆(1)和位于所述两根轻质刚性弦杆(1)之间的所述气柱(2)，所述气柱(2)垂直于所述两根轻质刚性弦杆(1)，所述气柱(2)的两个收紧接口(6)分别与所述两根轻质刚性弦杆(1)连接。
8.如权利要求7所述的桁架模块，其特征在于，
所述桁架模块还包括轻质刚性腹杆(4)，所述轻质刚性腹杆(4)位于所述两根轻质刚性弦杆(1)之间，且与所述两根轻质刚性(1)倾斜连接；其中，所述轻质刚性腹杆(4)的一端与所述气柱(2)的一端收紧接口(6)在一根轻质刚性弦杆(1)的同一点连接。
9.一种基于如权利要求1所述的气柱的刚柔结合的桁架结构，其特征在于，
所述桁架结构包括气柱(2)、第一桁架和第二桁架，所述第一桁架和所述第二桁架相互连接形成T字型结构或者十字型结构，所述气柱(2)作为所述T字型结构或十字型结构的斜支撑其两端收紧接口(6)分别固定在所述第一桁架和所述第二桁架上。
10.一种基于如权利要求9所述的气柱的刚柔结合的桁架结构，其特征在于，
所述第一桁架和/或第二桁架是由轻质刚性弦杆直接搭接而成的桁架结构，或由若干个普通桁架模块组合而成的桁架结构，或权利要求2、3、4、7、8任意一项的桁架模块组合而成的桁架结构。
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