CN111155646B - 一种用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，涉及桁架结构技术领域，其特征在于，包括主管、肢管、节点组合体、L型贴角；其中，所述节点组合体包括柱面弧形瓦壳和翅板；所述柱面弧形瓦壳与所述翅板刚性连接，所述主管与所述柱面弧形瓦壳刚性连接，所述肢管与所述翅板刚性连接，所述L型贴角与所述肢管和所述翅板刚性连接。本发明具有重量轻、制作简单、承载力大、可靠性高、无装配集成干涉等优点。

Description

一种用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点
技术领域
本发明涉及桁架结构技术领域，尤其涉及一种用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点。
背景技术
三角形截面是桁架结构中最基本、最高效的结构形式，桁架可采用不同材料制成，因此，三角形截面的桁架广泛应用于各种大型工程结构，如屋盖、桥梁等。三角形截面的复合材料圆管桁架具有轻质、高刚性的性能特点，可广泛应用于航空航天领域，如大型卫星平台、空间站平台、轨道探测器、现代飞艇、高空太阳能无人机等。其中，桁架节点受力复杂，设计、制作及装配集成要求高，所以桁架节点是大型三角形截面复合材料圆管桁架结构设计中的关键。
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，采用套管连接板胶接，主管为套管，肢管为板接，节点需整体模压成型。
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IsoTrussTM结构，纵杆连续，螺旋斜杆构成等边三角形，节点采用整体三维编织，需要专业的编织设备，技术要求极高。
Allred and Associates Inc(https://dragonplate.com/company,2019.03.15)研制开发了一种DragonPlate系列桁架产品，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，具有标准化、工业化、装配简单、成本低的优点，但存在精度低、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)研究了总长3m、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，对5通和6通相贯节点方案进行分析，但该方案肢管重叠部分多，制作和装配集成难度大。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，解决现有技术存在的构型复杂、制作困难、装配集成难度大的问题。
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开发一种用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，解决现有技术存在的构型复杂、制作困难、装配集成难度大的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，其特征在于，包括主管、肢管、节点组合体、L型贴角；其中，所述节点组合体包括柱面弧形瓦壳和翅板；所述柱面弧形瓦壳与所述翅板刚性连接，所述主管与所述柱面弧形瓦壳刚性连接，所述肢管与所述翅板刚性连接，所述L型贴角与所述肢管和所述翅板刚性连接。
进一步地，所述主管为薄壁圆形管，所述主管由高性能CFRP单向预浸料按受力情况进行铺层设计制成。
进一步地，所述肢管为薄壁圆形管，所述肢管由高性能CFRP单向预浸料按受力情况进行铺层设计制成，所述肢管的端部外侧增加至少一组±45°的所述高性能CFRP单向预浸料的铺层进行增强。
进一步地，所述肢管的直径小于所述主管的直径，所述肢管的壁厚小于所述主管的壁厚。
进一步地，所述柱面弧形瓦壳和所述翅板可由CFRP斜纹布或高性能CFRP单向预浸料的铺层经过模压和精密加工成型。
进一步地，所述柱面弧形瓦壳和所述翅板的厚度由受力情况决定；所述柱面弧形瓦壳的内径与所述主管的外径一致，所述翅板的定位方向角与所述肢管的方向角一致。
进一步地，所述柱面弧形瓦壳按照设计定位通过常温固化结构胶与所述主管连接，所述肢管按照相应定位插入所述翅板，所述肢管通过所述常温固化结构胶与所述翅板连接。
进一步地，所述肢管的端部用PMI泡沫进行填充，所述PMI泡沫的长度大于所述翅板插入所述肢管的深度；所述肢管的端部存在切口，所述切口的切割方向与所述肢管的轴线方向一致；所述切口的深度大于所述翅板插入所述肢管的深度，所述切口的宽度大于所述翅板的厚度。
进一步地，所述L型贴角可由CFRP斜纹布的铺层模压成长条形，再机械加工成所需长度的短节，所述L型贴角的两肢形体与所述肢管和所述翅板的几何尺寸相匹配，所述L型贴角的长度与所述肢管插入所述翅板的深度一致；所述肢管与所述翅板的连接可对称设一组或两组所述L型贴角。
进一步地，所述翅板为单V型时可构成单K型节点，所述翅板为双V型时可构成双K型节点。
在本发明的较佳实施方式中，与现有技术相比，本发明的节点组合体尺寸小、重量轻、制作简单。L型贴角可以增加肢管连接强度，提高节点承载力。节点各胶结面无死角，便于控制胶结质量，保证节点可靠性。本发明可避免三角形截面的桁架装配集成时肢管之间存在的空间干涉问题。
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双K型节点三维视图；
图2是本发明的一个较佳实施例的双翅板节点组合体三维视图；
图3是本发明的一个较佳实施例的肢管第一方向视图；
图4是本发明的一个较佳实施例的肢管第二方向视图；
图5是本发明的一个较佳实施例的单K型节点三维视图；
图6是本发明的一个较佳实施例的单翅板节点组合体三维视图；
图7是本发明的一个较佳实施例的三角形截面的桁架三维视图。
其中，1-主管，2-肢管，3-双翅板节点组合体，4-单翅板节点组合体，5-L型贴角，6-肢管管体，7-PMI泡沫，8-柱面弧形瓦壳，9-V型翅板。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，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。
实施例一
如图1和图2所示，双K型节点包括1根主管1、4根肢管2、1个双翅板节点组合体3和16个L型贴角5。双翅板节点组合体3包括1个柱面弧形瓦壳8和2个V型翅板9。其中，主管1和肢管2为薄壁圆形管，主管1的直径远大于肢管2的直径，主管1的壁厚大于肢管2的壁厚，4根肢管2的直径可不同。主管1和肢管2采用高性能CFRP单向预浸料按受力情况进行铺层设计制成，主管1和肢管2的直径与壁厚按受力情况进行设计。2个V型翅板9的夹角与肢管2的夹角一致。V型翅板9可减小翅板重量并增加与肢管2的连接长度。V型翅板9和L型贴角5由CFRP斜纹布按设计进行铺层，经过模压和机械加工成型。V型翅板9和L型贴角5的长度由设计确定。双K型节点的各部件采用常温固化结构胶连接。
如图3和图4所示，肢管2包括肢管管体6和PMI泡沫7。PMI泡沫7的长度比V型翅板9插入肢管管体6的深度长20mm，肢管2的端部存在切口，切口的切割方向与肢管2的轴线方向一致，切口的深度比V型翅板9插入肢管管体6的深度大2～5mm，切口的宽度比V型翅板9的厚度大0.2mm。
实施例二
如图5所示，单K型节点包括1根主管1、2根肢管2、1个单翅板节点组合体4、8个L型贴角5。
如图6所示，单翅板节点组合体包括1个柱面弧形瓦壳8和1个V型翅板9。V型翅板9的定位角与肢管2的切面一致，V型翅板9的几何尺寸根据肢管2的几何尺寸确定。
实施例三
如图7所示，三根互相平行的主管1构成三角形截面的桁架弦杆，若干肢管2构成模数化桁架，主管1和肢管2通过双翅板节点组合体3、L形贴角5连接。
三角形截面的桁架节点的尺寸、材料选择、工艺设计可由具体应用确定。主管1、肢管2、双翅板节点组合体3、单翅板节点组合体4和L型贴角5可采用高性能碳纤维和结构用环氧树脂制成。
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 (8)

1.一种用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，其特征在于，包括主管、肢管、节点组合体、L型贴角；其中，所述节点组合体包括柱面弧形瓦壳和翅板；所述柱面弧形瓦壳与所述翅板刚性连接，所述主管与所述柱面弧形瓦壳刚性连接，所述肢管与所述翅板刚性连接，所述L型贴角与所述肢管和所述翅板刚性连接，所述肢管为薄壁圆形管，所述肢管由高性能CFRP单向预浸料按受力情况进行铺层设计制成，所述肢管的端部外侧增加至少一组±45°的所述高性能CFRP单向预浸料的铺层进行增强，所述肢管的端部用PMI泡沫进行填充，所述PMI泡沫的长度大于所述翅板插入所述肢管的深度；所述肢管的端部存在切口，所述切口的切割方向与所述肢管的轴线方向一致；所述切口的深度大于所述翅板插入所述肢管的深度，所述切口的宽度大于所述翅板的厚度。
2.如权利要求1所述的用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，其特征在于，所述主管为薄壁圆形管，所述主管由高性能CFRP单向预浸料按受力情况进行铺层设计制成。
3.如权利要求1所述的用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，其特征在于，所述肢管的直径小于所述主管的直径，所述肢管的壁厚小于所述主管的壁厚。
4.如权利要求1所述的用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，其特征在于，所述柱面弧形瓦壳和所述翅板由CFRP斜纹布或高性能CFRP单向预浸料的铺层经过模压和精密加工成型。
5.如权利要求4所述的用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，其特征在于，所述柱面弧形瓦壳和所述翅板的厚度由受力情况决定；所述柱面弧形瓦壳的内径与所述主管的外径一致，所述翅板的定位方向角与所述肢管的方向角一致。
6.如权利要求4所述的用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，其特征在于，所述柱面弧形瓦壳按照设计定位通过常温固化结构胶与所述主管连接，所述肢管按照相应定位插入所述翅板，所述肢管通过所述常温固化结构胶与所述翅板连接。
7.如权利要求1所述的用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，其特征在于，所述L型贴角由CFRP斜纹布的铺层模压成长条形，再机械加工成所需长度的短节，所述L型贴角的两肢形体与所述肢管和所述翅板的几何尺寸相匹配，所述L型贴角的长度与所述肢管插入所述翅板的深度一致；所述肢管与所述翅板的连接对称设一组或两组所述L型贴角。
8.如权利要求4所述的用于大型三角形截面复合材料圆管桁架的节点，其特征在于，所述翅板为单V型时可构成单K型节点，所述翅板为双V型时可构成双K型节点。
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