CN110397667A - 一种桁架杆系结构设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桁架杆系结构设计，属于航天器结构技术领域。本发明涉及桁架杆系结构设计，适用于包含复杂杆系结构的航天器的具体杆件结构设计和地面装配工艺实现。本发明根据复杂杆系结构的应用特点和承载及装配需求，针对典型的航天器杆系结构本体组成，通过开展杆件小接头与杆系大接头连接间距的特殊设计、杆件小接头与杆系大接头拆装方案设计，以及杆件本体和两端小接头胶接固化时机设计，获得同时满足结构大承载和有限空间内复杂装配需求的一种桁架杆系结构，具有结构传力路径适应性强、大承载、轻量化等特点，而且该桁架杆系结构组合体易于实现模块化、结构可扩展的特殊应用需求。

Description

一种桁架杆系结构设计

技术领域

本发明属航天器结构技术，具体涉及一种可以用于复杂桁架构型且具有较高连接精度要求的桁架杆系结构设计。

技术背景

杆系结构是航天器结构的主要形式之一，最为典型的应用包括国际空间站和自由号空间站的主桁架、哈勃太空望远镜筒体内部的桁架等，此外还包括航天器上的部分次级结构，比如平面阵天线的支撑桁架、太阳电池阵的连接架等等。杆系结构应用中，又分为桁架结构和刚架结构。由于设计与工艺约束，实际杆系结构很少是真正意义上的桁架结构。尽管如此，考虑到杆系结构的承载优势在于其对于拉压载荷的承受能力，实际桁架杆系在应用时仍是通过设计手段使得杆本身尽量承受单一的拉压载荷，而杆系结构需要承受的弯矩、剪力等通常由杆件两端的连接接头以及杆件上与接头连接的局部结构来承担。

为保证杆件本身仅承受拉压载荷，同时为避免设计复杂的球轴承或特殊接头的理想铰接形式，目前比较常见的是杆件通过本体两端的小接头与杆系结构的大接头采用销配合的形式实现连接(其中杆件本体与小接头一般通过胶接或螺接的形式实现连接)。由于销配合精度较高，以常见的规格的H7/g6配合类型为例，销孔配合精度为0～+0.018，因此杆件与其两端接头只能采用配合制孔。由于杆系结构较为复杂时，航天器结构部装状态结构空间有限，使得销孔配制操作无法在航天器部装状态进行，因此需要将杆件与接头从杆系结构拆下后进行操作。

同时，关于杆件结构的反复拆装，对于常规杆件，其两端小接头规格相同，其与杆本体装配状态一致，即杆件从杆系结构拆装时仅需要单一的拆装运动路径。对于特殊杆件，其两端小接头状态不一致时，尤其是表现为杆件两端小接头与杆系大接头安装面异面时，则杆件两端无法同时从杆系中拆下，从而无法满足拆下进行便捷的销孔配制操作，最终导致复杂杆系难以实现高精度连接。

综上，相对于复杂杆系状态，常规的杆系结构设计具有以下不足：

(1)由于难以满足复杂杆系在有限装配空间下的装配需求，导致其可装配的杆件数量有限，且无法满足杆系结构高精度连接配合的需求。

(2)难以满足复杂杆系的灵活连接设计需求，导致其无法满足特殊桁架杆的大承载传力与设计实现的需求。

发明内容

(1)技术问题

本发明解决的技术问题是：复杂杆系结构在有限装配空间下，须同时满足杆件数量多、杆件安装方位复杂、高精度装配以及大承载传力的需求。

(2)技术方案

基于复杂杆系导致连接状态复杂、杆系装配空间有限以及特殊桁架杆的应用需求，针对桁架杆件两端小接头方向不同的特殊桁架杆件，采用杆件本体与两端小接头连接时的特殊配合长度设计，从而满足杆件与杆系大接头的销孔配制需求。

本发明所述的杆系结构，由多个桁架杆件、杆系件连接的桁架大接头组成，杆件则由杆本体、两端的小接头组成，在杆系结构中，桁架杆通过其上的小接头与大接头连接，最终完成杆系结构的装配。

本发明所述的杆系结构，杆本体与小接头通过胶接实现连接，胶接配合长度d₁根据杆件承受的拉压载荷P、配合面直径D以及粘接用胶的胶接强度σ计算所得，即d₁须满足关系式：π×D×d₁×σ≥P。

本发明所述的杆系结构，对于桁架杆的杆本体末端与杆系大接头间距，即为杆本体沿小接头进行滑移且不与大接头干涉的距离，为d₂、另一端小接头与杆系大接头搭接距离d₃，两者须满足关系式：d₂≥d₃。也即：杆本体一端可移动的距离不小于另一端小接头与杆系大接头的搭接距离。由于杆件两端均有移动的需求，因此杆本体另一端可移动距离应满足相应要求。

本发明所述的杆系结构，对于特殊桁架杆件的杆本体与两端小接头通过胶接实施，均需要在销孔配制后进行。

本发明所述的杆系结构，桁架杆件的杆本体采用碳纤维复合材料，实现杆件大承载与轻量化设计，桁架杆件的两端小接头以及杆系连接的大接头均采用铝合金材料，实现接头对于复杂外形需求的机械加工适应能力。

(3)有益效果

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明实现了复杂杆系结构、装配空间有限状态下的杆系结构的高精度配合连接设计。

(2)本发明通过桁架杆件本体与小接头搭接距离设计，实现桁架杆两端小接头异面状态下杆系结构的高精度配合连接设计，两端小接头安装面角度可根据杆系承载与布局需求进行灵活设计。

(3)本发明桁架杆杆本体采用碳纤维复合材料，能够同时满足大承载与轻量化的需求，桁架杆件的两端小接头以及杆系连接的大接头均采用铝合金材料，满足复杂外形需求下的机械加工工艺的灵活适应需求。

附图说明

图1复杂杆系结构典型状态

图2常规杆件

图3特殊杆件

图4桁架杆与两端结构接头连接

图5桁架杆小接头与杆系大接头的不同装夹形式

图6桁架杆装配与拆解设计

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的杆系结构做进一步说明。

参见图1所示的复杂杆系，具有桁架杆数量多、连接复杂的特点，所谓连接复杂是指一处杆系连接的大接头需要同时与两个或两个以上的桁架杆件相连(比如多根杆件1)。为保证杆系应用时满足桁架杆的承载状态，杆件与大接头采用销配合进行连接。

具体地，如图2和图3所示。杆系设计时根据布局需要，包含两种桁架杆件。两种杆件均由两端的小接头2和杆本体3组成。第一种为常规杆件，表现为杆件两端的小接头端面平行，即杆件通过小接头与杆系大接头的连接面共面，第二种为特殊杆件，表现为杆件两端的小接头端面不平行，，即杆件通过小接头与杆系大接头的连接面异面。本实施方式中两个小接头端面夹角为35°，实际应用时，两者夹角可依据杆系布局进行灵活设计。两种杆件的杆本体与小接头均通过胶接连接，且均在装配过程中完成销孔配制后再进行胶接固化。无论胶接固化顺序如何，两类杆件的小接头与杆本体的胶接长度通过承载需求计算后均确定为d₁。

本发明实施例中，如图4所示，特殊杆件1通过两端小接头2与上下两侧的杆系大接头4和5连接，连接时为保证桁架杆的承载，采用销配合进行连接。为保证销配合精度，小接头2与大接头4和5上的配合销孔需要进行配制。实际杆系连接时，根据局部结构特征及承载需求，杆件小接头与杆系大接头有两种装夹形式，以小接头2与大接头4的装夹为例，如图5所示，图5左为小接头2夹着大接头4，图5右则为大接头4夹着小接头2。根据机械加工方法，本实施例中是小接头夹着大接头，因此小接头2的销孔须提前加工好，然后以此为基准配制大接头4的销孔；如果是另一种装夹方式，即大接头夹着小接头，即为图5右的装夹形式，则大接头4的销孔须提前加工好，然后以此为基准配制小接头2的销孔。

本发明实施例中，杆系装配时为保证杆系整体的装配精度，大接头4和5均通过上下安装边界6和7来保证大接头相对杆系的定位精度。由于杆系结构空间限制，本实施例中大接头4仅能沿其搭接耳片方向进行移动，即大接头4与特殊杆件1形成组合体时，不能整体与大接头5进行分离。图6中为便于表示，大接头4和5上的销孔均已画出。当特殊杆件1需要与大接头4进行配制销孔时，需要将两者试配后进行整体拆下，具体操作为：先按照图6所示的步骤(1)将特殊杆件1杆本体沿小接头2进行向下滑移至距离为d2，由于d2不小于杆件小接头2与大接头5的耳片的搭接距离d₃，因此，能够保证特殊杆件1上端的小接头2能够移出远离大接头5的耳片，然后即可按照图6所示的步骤(2)将特殊杆件1和大接头4形成的组合体沿大接头4的耳片方向进行移出。此时，可以根据之前的试配状态，对特殊杆件1分别与大接头4的销孔进行配制。当对特殊杆件1与大接头5进行销孔配制时，移动操作类似。在完成销孔配制后，特殊杆件1与大接头4(或大接头5)的装配按前述拆卸过程进行逆序操作。

本发明实施例中，杆系中其他特殊杆件可参照上述设计及其操作与大接头各自完成销孔配制，待所有销孔配制操作完成后，在最终安装杆件之前，在杆件与小接头配合面上涂抹胶接用胶，然后将杆件复装至杆系，并在各杆件通过小接头与大接头进行连接紧固后，进行各杆件的杆本体与两端的小接头的胶接固化，胶接固化时须采取必要的保护措施，以保证胶接固化质量。本项操作过程中须满足胶接用胶的固化时间限制要求。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种桁架杆系结构设计，其特征在于，包括：(1)杆件有杆件本体和两端的小接头组成，杆件之间通过大接头进行连接；(2)杆件小接头与杆系大接头连接间距设计适应复杂杆系装配过程中的灵活拆装需求；(3)杆件小接头与杆系大接形成的组合体，其拆装方案适应杆件小接头与杆系大接头的高精度销孔配制需求；(4)杆件本体和两端小接头的通过胶接固化，其固化时机适应杆系大承载的需求。