CN110040234B - 一种大尺度加劲环拼接式三角形桁架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度加劲环拼接式三角形桁架，涉及复合材料结构技术领域，包括圆环三角形桁架、径向拉杆和毂轴三个组件，圆环三角形桁架组件和毂轴组件通过径向拉杆组件连接；其中：圆环三角形桁架组件由多个节段模块顺序拼接，两端为三角形连接板；径向拉杆组件包括杆体及两端的铰接头和微调接头；毂轴组件包括毂轴主体管及其两端分别顺序连接的梭形接头、端芯轴、毂连接环、承压顶推套管，毂连接环连接微调接头，并通过径向拉杆组件与节段模块的三角形连接板连接。本发明可实现大尺度复合材料结构，加劲可提高桁架整体刚度，提高桁架承受载荷变形能力、稳定性能，可应用于大型航空飞行器结构，如飞艇、无人机等，以及航天空间装配式平台。

Description

一种大尺度加劲环拼接式三角形桁架

技术领域

本发明涉及复合材料结构技术领域，尤其涉及一种大尺度加劲环拼接式三角形桁架。

背景技术

复合材料具有轻质、高强、高刚、耐疲劳等特点，并且具有可设计性和工艺性，广泛应用于航空航天和工业制品领域。在航空领域，复合材料结构比例不断提高，在目前国外先进飞机中已接近40％，已经成为衡量飞机先进性的核心技术指标。在大型卫星平台、空间平台，以及现代飞艇结构中，也采用复合材料桁架结构或组合结构。

Rainer Schütze著“Lightweight carbon fiber rods and truss structures”(Materials&Design,1997,18(4/6):231-238)介绍了一种泡沫夹心管复合材料桁架，桁架为三角形、细长构件，采用连接板胶接，节点形式有双K、双+T、单K+T，以及金属节点，组装成三角框架，并应用于Zeppelin NT飞艇结构。

D.K.Darooka、D.W.Jensen著“Advanced space structure concepts and theirdevelopment”(Collection of Technical Papers-AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures,Structural Dynamics and Materials Conference,v1,p 562-571,2001)发明了一种IsoTruss^TM结构，纵杆连续，螺旋斜杆构成等边三角形，从概念上可以构成非常优异力学性能直线桁架，但是构型非常复杂，需要整体缠绕成型。

Allred and Associates Inc(https://dragonplate.com/company，2019.03.15)研制开发了一种DragonPlate桁架系列产品，由杆件、接头组装，可为三角形、四边形，构型灵活，弦杆一般通长，腹杆胶接接头套筒管，接头常采用螺栓连接，虽然标准化、工业化、装配简单、成本低，但是，存在精度低、刚度小、重量大的不足。

熊波著“三角截面狭长构型复合材料桁架承载性能分析”(哈尔滨工业大学学位论文，2012)研究了3m长、节长0.5m、等边三角形边长0.26m桁架的力学性能，采用三面顺螺旋腹杆、5通和6通相贯节点方案进行分析，但由于其肢管重叠部分多，制作难实现，因此，仅采用DragonPlate节点拼接了1.5m桁架，进行了承载试验研究。

鞠苏著“复合材料桁架弯曲特性与非线性约束优化设计”(国防科学技术大学学位论文，长沙，2011)提出了一类新的全复合材料桁架结构—三角形截面复合材料整体桁架结构，其核心是需要纤维整体缠绕制备，并制备了6m长桁架，进行了承载试验研究，但难以用于大型的环形桁架。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种大尺度加劲环拼接式三角形桁架，解决现有技术存在的精度低、刚度小、重量大、构型复杂、制作困难、难以实现大型化的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现大型高刚度的桁架结构。

为实现上述目的，本发明提供了一种大尺度加劲环拼接式三角形桁架，包括圆环三角形桁架组件、径向拉杆组件和毂轴组件，所述圆环三角形桁架组件和所述毂轴组件通过所述径向拉杆组件连接；其中：

所述圆环三角形桁架组件由多个节段模块顺序拼接，所述节段模块包括外弦管、内弦管、腹杆管；所述外弦管、内弦管、腹杆管通过双K和单K型节点拼接，所述节段模块的两端为三角形连接板，所述圆环三角形桁架为等边或等腰三角形桁架，优选的，等腰三角形最小角不小于45°；

所述径向拉杆组件包括杆体、铰接头和微调接头；所述铰接头和微调接头分别连接于所述杆体两端；所述径向拉杆组件的数量为所述节段模块数量的2倍，每个所述三角形连接板的顶角与两个所述径向拉杆组件一端的所述铰接头铰接；

所述毂轴组件包括毂轴主体管、梭形接头、端芯轴、毂连接环和承压顶推套管，所述毂轴主体管两端分别与所述梭形接头和所述端芯轴顺序连接，所述毂连接环和所述承压顶推套管套装于所述端芯轴，所述承压顶推套管向外顶推实现整体预张力；所述毂轴主体管两端的所述毂连接环连接所述微调接头，并分别通过所述径向拉杆组件与每个所述三角形连接板对应连接，对所述径向拉杆的张力进行微调，使各径向拉杆组件的张力一致。

进一步地，所述毂轴主体管及其两端的所述梭形接头采用复合材料一体化成形制备。

进一步地，所述双K和单K型节点为模压成形标准节点，为6通套管接头、4通套管接头或连接板接头。

进一步地，所述圆环三角形桁架组件、径向拉杆组件、毂轴组件均为高刚高强型复合材料/合金材料。

进一步地，所述毂轴主体管复合材料为薄壁碳纤维复合材料圆管。

进一步地，所述外弦管、所述内弦管、所述腹杆管为超薄壁管，优选的，所述超薄壁管的径厚比不小于50。

进一步地，所述双K和单K型节点采用碳纤维增强环氧树脂复合材料。

进一步地，所述杆体采用平行碳纤维捻制复合而成，优选的，所述杆体为圆形棒材，捻角小于3°/米。

进一步地，所述铰接头、所述微调接头采用航空铝合金或钛合金等高比强合金材料。

进一步地，所述端芯轴、所述毂连接环、所述承压顶推套管为高强合金或复合材料。

本发明可以实现大尺度复合材料结构，加劲可提高桁架整体刚度，提高桁架承受载荷变形能力、稳定性能，可应用于大型航空飞行器结构，如飞艇、无人机等，以及航天空间装配式平台。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的大尺度加劲环拼接式三角形桁架三维图；

图2是本发明的一个较佳实施例的节段模块三维透视图；

图3是本发明的一个较佳实施例的节段模块正立面图；

图4是本发明的一个较佳实施例的节段模块俯视图；

图5是本发明的一个较佳实施例的径向拉杆组件三维图；

图6是本发明的一个较佳实施例的毂轴组件三维图。

其中，1-圆环三角形桁架组件，101a-第一外弦管，101b-第二外弦管，102-内弦管，103-腹杆管，104-双K型节点，105-单K型节点，106-三角形连接板，2-径向拉杆组件，201-杆体，202-铰接头，203-微调接头，3-毂轴组件，301-毂轴主体管，302-梭形接头，303-端芯轴，304-毂连接环，305-承压顶推套管。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

图1为本发明的一个较佳实施例的大尺度加劲环拼接式三角形桁架三维图，包括圆环三角形桁架组件1、径向拉杆组件2、毂轴组件3。其中，圆环三角形桁架组件1由n个节段模块顺序拼接。

本发明的一个实施例中，圆环三角形桁架组件1为等边三角形桁架，等边三角形边长为a。

又一实施例中，圆环三角形桁架组件1为等腰三角形桁架，等腰三角形最小角不小于45°。

取：圆环三角形桁架组件1的外圆环直径为D₁、内圆环直径为D₂，则：节段模块的外弧长L₁＝πD₁/n、内弧长L₂＝πD₂/n。

如图2所示，每个节段模块由2个外弦管(分别为第一外弦管101a和第二外弦管101b)、1个内弦管102及腹杆管103，通过双K型节点104和单K型节点105拼接，节段模块两端为三角形连接板106，三角形连接板106通过铰接头202连接径向拉杆组件2。

图3和图4分别为节段模块的正立面图和俯视图。

实施例中，双K型节点104和单K型节点105为模压成形标准节点，为6通、4通套管接头或连接板接头，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料。

内弦管102、腹杆管103、第一外弦管101a、第二外弦管101b均为超薄壁管，径厚比不小于50，相关计算如下：

选取：第一外弦管101a、第二外弦管101b直径为d₁、壁厚为t₁；内弦管102直径d₂、壁厚t₂；腹杆管103直径为d₃、壁厚为t₃；

设：m为弧长等分数；

则：内弦管102由m-1个双K型节点104均分弧长，节距为L₂/m；第一外弦管101a、由m个双K型节点104均分弧长，两端节距为L₁/2m、中间节距为L₁/m；第二外弦管101b由m-1个单K型节点105均分弧长，两端节距为L₁/m；腹杆管103有6m个，每个侧面2m个。

如图5所示，径向拉杆组件2包括杆体201、铰接头202、微调接头203；铰接头202连接圆环三角形桁架组件1的节段模块端三角形连接板106，微调接头203连接毂轴组件3两端的毂连接环304，可微调使径向拉杆组件2张力一致，对称成鱼腹形，如节段模块的数量为n，则径向拉杆组件2的数量为2n。

实施例中，杆体201为圆形棒材，长L₃、直径d₄，采用平行碳纤维捻制复合而成，捻角小于3°/米。

实施例中，铰接头202、微调接头203采用航空铝合金或钛合金等高比强合金材料。

如图6所示，毂轴组件3由毂轴主体管301、梭形接头302、端芯轴303、毂连接环304、承压顶推套管305组成；毂轴主体管301的两端分别与梭形接头302和端芯轴303顺序连接，毂轴组件体长为L₄，毂连接环304和承压顶推套管305套于端芯轴303，由承压顶推套管305向外顶推实现整体预张力。

实施例中，毂轴主体管301为薄壁碳纤维复合材料圆管，直径d₅、壁厚t₅。毂轴主体管301和两端梭形接头302采用复合材料一体化成形制备。端芯轴303为高强合金或复合材料，可靠传递压力。毂连接环304高强合金或复合材料，可靠传递拉力。承压顶推套管305为高强合金复合材料，可靠承载压力。

本发明的结构尺寸(D₁，D₂，a，n等)、部件尺寸(L₁，L₂，m)、构件尺寸(L₃，L₄，d₁-d₅，t₁-t₅)、材料选择、工艺设计可针对具体应用确定。复合材料薄壁管、径向拉杆可采用高强高模型碳纤维和结构用环氧树脂，接头可采用钛合金、铝锂合金、铝镁合金等。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大尺度加劲环拼接式三角形桁架，其特征在于，包括圆环三角形桁架组件、径向拉杆组件和毂轴组件，所述圆环三角形桁架组件和所述毂轴组件通过所述径向拉杆组件连接；其中：

所述圆环三角形桁架组件由多个节段模块顺序拼接，所述节段模块包括外弦管、内弦管、腹杆管；所述外弦管、内弦管、腹杆管通过双K和单K型节点拼接，所述节段模块的两端为三角形连接板，所述圆环三角形桁架为等边或等腰三角形桁架；

所述径向拉杆组件包括杆体、铰接头和微调接头，所述铰接头和微调接头分别连接于所述杆体两端；所述径向拉杆组件的数量为所述节段模块数量的2倍，每个所述三角形连接板的顶角与两个所述径向拉杆组件的所述铰接头铰接；

所述毂轴组件包括毂轴主体管、梭形接头、端芯轴、毂连接环、承压顶推套管，所述毂轴主体管两端分别与所述梭形接头和所述端芯轴顺序连接，所述毂连接环和所述承压顶推套管套装于所述端芯轴，所述承压顶推套管向外顶推实现整体预张力；所述毂轴主体管两端的所述毂连接环连接所述微调接头，并分别通过所述径向拉杆组件与每个所述三角形连接板对应连接，对所述径向拉杆的张力进行微调。

2.如权利要求1所述的大尺度加劲环拼接式三角形桁架，其特征在于，所述毂轴主体管及其两端的所述梭形接头一体化成形制备。

3.如权利要求1所述的大尺度加劲环拼接式三角形桁架，其特征在于，所述双K和单K型节点为模压成形标准节点，所述双K型节点为6通套管接头或连接板接头，所述单K型节点为4通套管接头或连接板接头。

4.如权利要求1所述的大尺度加劲环拼接式三角形桁架，其特征在于，所述圆环三角形桁架组件、径向拉杆组件、毂轴组件均为高刚高强型复合材料/合金材料。

5.如权利要求4所述的大尺度加劲环拼接式三角形桁架，其特征在于，所述毂轴主体管复合材料为薄壁碳纤维复合材料圆管。

6.如权利要求4所述的大尺度加劲环拼接式三角形桁架，其特征在于，所述外弦管、所述内弦管、所述腹杆管为超薄壁管。

7.如权利要求4所述的大尺度加劲环拼接式三角形桁架，其特征在于，所述双K和单K型节点采用碳纤维增强环氧树脂复合材料。

8.如权利要求4所述的大尺度加劲环拼接式三角形桁架，其特征在于，所述杆体采用平行碳纤维捻制复合而成。

9.如权利要求4所述的大尺度加劲环拼接式三角形桁架，其特征在于，所述铰接头、所述微调接头采用航空铝合金或钛合金等高比强合金材料。

10.如权利要求4所述的大尺度加劲环拼接式三角形桁架，其特征在于，所述端芯轴、所述毂连接环、所述承压顶推套管为高强合金。

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