CN111395534A - 一种30杆球形张拉整体可动结构 - Google Patents

一种30杆球形张拉整体可动结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种30杆球形张拉整体可动结构，主体结构为张拉整体形式的外框架，由30根压杆、90根拉索和60个铰接节点构成，每个节点均连接有3根拉索和1根压杆，各点等效，结构具有很好的空间对称性。主体结构在施加预应力后能实现自平衡，无需外力作用即可保持应力不流失，撑起一个似球形多面体空间。本发明中的30杆球形张拉整体可动结构通过调节主体结构的拉压构件长度，改变结构整体质心的地面投影与底部触地面相对位置来实现结构的行进运动。

Description

一种30杆球形张拉整体可动结构
技术领域
本发明涉及预应力索杆结构领域，尤其涉及一种通过主动控制构件的长度实现结构翻滚运动的30杆球形张拉整体可动结构。
背景技术
张拉整体结构是由连续的受拉构件与离散的受压构件组成的预应力自平衡体系。以往，张拉整体结构一般应用于土木建筑结构，多种大跨度的建筑结构形式例如索穹顶结构、弦支穹顶结构、索桁结构、张弦结构等可认为是张拉整体结构的实用衍生形式。近年来，基于张拉整体结构的可动结构成为航天、机械、机器人等领域的新兴话题。当前已见具有3根压杆、4根压杆、6根压杆和14根压杆的张拉整体可动结构，未见具有30根压杆的张拉整体可动结构的报道。构件简单的张拉整体可动结构，外部形态棱角分明，结构较为刚性，运动模式以翻滚为主，步态单一，运动效率不高，平稳性不足，在行进步态中易出现无法抵达的死角；30杆张拉整体可动结构是似球形多面体，具有更多的可控构件与更多的可控自由度，在运动性能与环境适应性上均要优于以往的张拉整体可动结构。
发明内容
本发明的目的是提出一种新型球形张拉整体可动结构。本发明通过似球形的外包络面形态提升结构的运动效率和平稳性，通过更多的驱动器构件与更多的可控自由度实现步态和路径选择的多样化，通过柔性结构滚动蠕动的混合运动模式提高行进过程中的地形适应性。该结构由30杆、90索和60节点构成一个似球形多面体空间，利用驱动器改变主动构件的轴向长度，破坏结构的自应力平衡状态，使结构整体质心的地面投影偏移出结构触地面，进而驱动结构发生运动。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种30杆球形张拉整体可动结构，该结构包括主体结构和控制系统两部分，所述主体结构采用了30杆球形张拉整体结构形式，撑起一个似球形多面体空间；运动路径离散成多个起始与终止时结构形态完全相同的独立的基本步态，所述控制系统通过每一基本步态相应的驱动策略改变主体结构的构件长度，进而驱动整个结构发生运动。
进一步地，主体结构部分由30根压杆、90根拉索和60个铰接节点构成，每个铰接节点连接3根拉索和1根压杆；压杆长度Lb和拉索长度Lc的长度比为
Figure BDA0002424935660000021
从结构外侧向内侧看，以逆时针方向，单个节点处所引出的3根拉索在压杆法平面投影互相间的夹角βhor依次为109°、97°与154°，3根拉索与压杆法平面的夹角βver依次为11°、-65°与-21°，夹角βver在压杆法平面之上为正，在压杆法平面之下为负。
进一步地，主体结构外包络面由正五边形、等腰三角形、正三角形三种基本图形单元构成，正五边形共计12个，以正五边形各边为腰发散出的等腰三角形，共计60个，相邻三个等腰三角形的底边构成的正三角形，共计20个；正五边形各边长为0.3546Lb，正三角形各边长为0.4293Lb。其中正五边形各边均为拉索(闭合)；正三角形各边均无拉索(全开放)。
进一步地，通过控制系统调节主体结构部分拉压构件的长度，主体结构因自平衡性，拉压构件的空间位置发生改变，当结构整体质心在地面的投影离开触地的基本图形单元，激发结构发生行进运动。
进一步地，结构行进运动时，结构触地面在正五边形、等腰三角形、正三角形三类基本图形单元以及通过上述三类基本图形单元组成的多面图形间阶段性转变。
进一步地，主体结构以独立的基本步态作为行进的运动单元，所述基本步态以正五边形触地作为起始，以下一次正五边形触地作为终止。每个基本步态结束后，主体结构中各拉压构件恢复至初始长度，为下一基本步态作准备，实现基本步态的构件驱动组合即为主体结构的驱动策略。
进一步地，结构的行进运动路线，均是通过多个基本步态的组合予以实现。
进一步地，结构可折叠运输；采用压杆驱动方式时，驱动压杆均适当收缩；采用拉索驱动方式时，驱动拉索均适当伸长；采用构件混合驱动方式时，协调控制对应压杆和拉索的长度，都将引起主体结构拉索的松弛，预应力失效，使结构处于完全折叠状态，在该状态下能以有限的空间对结构进行存储和运输。
本发明的有益效果：所述30杆球形张拉整体可动结构具有更多的可控自由度，使结构的运动性能、地形适应性、运动的平稳性和路径选择的灵活性比其他构型有进一步的提升；通过主动构件和驱动策略的引入，实现30杆球形结构的精确化、高效化、可控化的行进运动模式，保证结构在空间形态上的自塑性和稳定性，为球形张拉整体可动结构的研究与应用提供了一种新型的、可实现的可动结构形式设计。
附图说明
图1为30杆张拉整体结构杆系模型图及压杆与拉索相对位置图；
图2为节点拆分图；
图3为节点—压杆组装图；
图4为中心荷载装置组装图；
图5为分布荷载装置—压杆组装图；
图6为30杆球形张拉整体结构(附中心荷载装置)杆系模型图；
图7为30杆球形张拉整体结构(附中心荷载装置)三维施工图；
图8为30杆球形张拉整体结构(附分布荷载装置)杆系模型图；
图9为30杆球形张拉整体结构(附分布荷载装置)三维施工图；
图10为30杆张拉整体结构压杆驱动器标号说明图；
图11为30杆张拉整体结构各基本步态平面路径分布图；
图12为30杆张拉整体结构5杆驱动详细布置图；
图13为30杆张拉整体结构5杆驱动运动过程图；
图中，1—主体结构压杆；1-1—螺栓A；1-2—垫片；1-3—压杆右端的带状物；1-4—固定接口C；1-5—压杆驱动器的行程长度；2—主体结构拉索；3—主体结构节点(可旋转)；3-1—节点顶盖；3-2—垫圈；3-3—圆环；3-4—垫片；3-5—节点固定座；3-6—加厚垫片；3-7—螺帽；4—正五边形触地面；5—中心荷载装置；5-1—中心控制盒的推窗；5-2—中心控制盒的圆孔；5-3—中心控制盒；5-4—固定节点；6—分布荷载装置；6-1分布控制盒；6-2分布控制盒固定座；6-3分布控制盒的圆孔；6-4固定接口C’；6-5螺栓B；6-6螺栓C；7—固定拉绳；8—分布控制盒的压杆驱动器；9—驱动器压杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
本发明提供的一种30杆球形张拉整体可动结构，该结构包括主体结构和控制系统两部分，所述主体结构采用了30杆球形张拉整体结构形式，撑起一个似球形多面体空间；运动路径离散成多个起始与终止时结构状态等效的独立步态，所述控制系统通过每一独立步态相应的驱动策略改变主体结构的构件长度，进而驱动整个结构发生运动。
主体结构部分由30根压杆、90根拉索和60个铰接节点构成，每个铰接节点连接3根拉索和1根压杆；压杆长度Lb和拉索长度Lc的长度比为
Figure BDA0002424935660000041
Figure BDA0002424935660000042
从结构外侧向内侧看，以逆时针方向，单个节点处所引出的3根拉索在压杆法平面投影互相间的夹角βhor依次为109°、97°与154°，3根拉索与压杆法平面的夹角βver依次为11°、-65°与-21°，夹角βver在压杆法平面之上为正，在压杆法平面之下为负。
主体结构外包络面由正五边形、等腰三角形、正三角形三种基本图形单元构成，正五边形共计12个，以正五边形各边为腰发散出的等腰三角形，共计60个，相邻三个等腰三角形的底边构成的正三角形，共计20个；正五边形各边长为0.3546Lb，正三角形各边长为0.4293Lb。其中正五边形各边均为拉索(闭合)；正三角形各边均无拉索(全开放)。
通过控制系统调节主体结构部分拉压构件的长度，主体结构因自平衡性，拉压构件的空间位置发生改变，当结构整体质心在地面的投影离开触地的基本图形单元时，重力作用将激发结构发生行进运动。
结构行进运动时，结构触地面在正五边形、等腰三角形、正三角形三类基本图形单元以及通过上述三类基本图形单元组成的多面图形间阶段性转变。其中以正五边形为触地面，各边均有拉索(闭合)，主体结构以形心所在竖直轴为旋转轴，以72°为单位呈旋转对称；以正三角形为触地面，结构仅落地三点，各边均无拉索(全开放)，主体结构以形心所在竖直轴为旋转轴，以120°为单位呈旋转对称；以等腰三角形为触地面，主体结构无旋转轴且非轴对称。
30杆球形张拉整体可动结构在闭合正五边形为触地面时具有较好的稳定性，主体结构以独立的基本步态作为行进的运动单元，所述基本步态以正五边形触地作为起始，以下一次正五边形触地作为终止。根据结构的旋转对称性，行进运动前选取触地五边形的任意边所对应的72°作为视野广角，从该闭合正五边形出发，控制系统通过一定的驱动策略改变主结构的构件长度，驱动整个结构发生行进运动，每个基本步态结束后，主体结构中各拉压构件恢复至初始长度，为下一基本步态作准备，实现基本步态的构件驱动组合即为主体结构的驱动策略。结构的行进运动路线，如前进、左转、右转和调头，均是通过多个基本步态的组合予以实现。
结构的构件驱动器也能用于实现结构的折叠运输。采用压杆驱动方式时，驱动压杆均适当收缩；采用拉索驱动方式时，驱动拉索均适当伸长；采用构件混合驱动方式时，协调控制对应压杆和拉索的长度，都将引起主体结构拉索的松弛，预应力失效，使结构处于完全折叠状态，在该状态下能以有限的空间对结构进行存储和运输。
实施例：
本发明所述的30杆球形张拉整体可动结构的压杆和拉索均可作为驱动策略输入的作动器(主动构件)，以实现结构的行进运动模式。以下的具体实施方案中，通过电动机等驱动器驱动压杆为例具有驱动器中心控制方案和驱动器分布控制方案两种，选择压杆的基准长度(杆系模型中压杆两端点间的距离)Lb＝206mm，同时在主体结构的基础上引入了控制系统固定方式的设计，详细阐述结构的实施步骤及压杆驱动下行进模式的驱动策略。
如图1所示，本发明所述的30杆张拉整体主体结构由30根压杆1、90根拉索2和60个铰接节点3构成，每个节点均连接有3根拉索和1根压杆。30杆结构理论找形结果确定了压杆和拉索长度比值为2.8027，每个节点所引出的3根拉索在压杆法平面的投影互相间的夹角依次为109°、97°、154°(视角从外向内，逆时针)，3根拉索与压杆法平面的夹角(压杆法平面之上为正，在压杆法平面之下为负)依次为11°、-65°、-21°。主体结构外包络面由正五边形、等腰三角形、正三角形构成，以正五边形各边为腰发散出等腰三角形，相邻三个等腰三角形的底边构成正三角形。外表面图形相邻两点间距离分为两种，距离为0.3546Lb＝73.5mm(点间有拉索连接)，距离为0.4293Lb＝88.5mm(点间无拉索连接)。
如图2所示，节点用于连接压杆与拉索，节点顶盖3-1与其相应螺帽3-7经垫片3-4和加厚垫片3-6固定在节点固定座3-5上，节点顶盖可实现360°自由旋转，顶盖上有互成角度的3个圆孔，与拉索和压杆法平面的相对位置一一对应，圆孔由垫圈3-2包裹，并穿有圆环3-3。节点固定座上的水平向圆孔用于连接压杆驱动器两端的固定接口，顶盖上的圆环则用于连接拉索。
如图3所示，节点3借助螺栓A1-1和垫片1-2固定于压杆驱动器两端的接口上。压杆由原始长度段和行程长度段1-5组成，压杆右端的带状物1-3为控制信号传输线路，而在原始长度段的左端口设置有固定接口C1-4，用于固定驱动器分布控制方案中的分布控制盒。杆系模型图中的节点在实际施工图中与节点顶盖中心点相对应，因此理论构件长度即为两节点顶盖中心点间的距离，在已知驱动器杆长确定压杆驱动器的行程长度1-5时需扣除节点的相关尺寸。
如图4所示，中心荷载装置5，即为驱动器中心控制方案中用于承载中心控制器和外加设备荷载的附加装置，其主体——中心控制盒5-3尺寸为60mm*60mm*60mm；顶面设置推窗5-1，行程长度30mm，便于控制器和其他装置的装卸；周边四面设有圆孔5-2，作为控制线路的进出口；中心控制盒的各个顶点均设有固定节点5-4，每个节点引出3根拉绳劲度系数小于主体结构的拉索与外部主体结构固定。
如图5所示，分布荷载装置6，即为驱动器分布控制方案中用于承载分布控制器的附加装置，其主体——分布控制盒6-1以中心控制盒为样本等比例缩放至1/3，设有圆孔6-3，作为控制线路的进出口；分布控制盒固定座6-2通过两个方向的螺栓B6-5和螺栓C6-6和固定在压杆驱动器的原始长度段上，固定接口C’6-4与压杆驱动器上的固定接口C1-4对应。
如图6和图7所示，驱动器的中心控制方案中，中心荷载装置通过其立方体顶点上的各个固定节点引出3根固定拉绳7(合计24根)连接到外部主体结构的相应节点上。
如图8和图9所示，驱动器的分布控制方案中，将中心控制器分解成10个分布控制器，以闭合正五边形为触地面，按竖向位置将30根压杆分为6组，从上往下第2、第5组压杆中部固定有控制盒以装配分布控制盒的压杆驱动器8，每个压杆驱动器8控制上中下三组对应的压杆，而主体结构中心仍可配置中心控制盒用以承载外加设备荷载。
如图10所示，以闭合正五边形为触地面，按竖向位置将主体结构的30根压杆驱动器依次进行标序。30杆球形张拉整体结构在以闭合正五边形为触地面时具有以72°为单位的旋转对称性，因此结构运动时选取触地五边形的一边作为参照边。
如图11所示，显示了多个基本步态的平面路径分布，本发明从中分别选取了3杆驱动、4杆驱动、5杆驱动所对应的适用于图11所示坐标系下x向和y向的驱动器组合策略，具体如下，其中，驱动器位置标号如图10所示：
(1)3杆驱动
整体运动路径沿x向：
驱动器位置标号：1、11、17；
驱动器相应作动量：-43.4mm、-47.5mm、-1.5mm；
底部正五边形中心点位移(质心位移)：171.1mm；
底部正五边形绕中心点转角：22.82°。
整体运动路径沿y向：
驱动器位置标号：1、2、24；
驱动器相应作动量：49.6mm、-26.4mm、-45.4mm；
底部正五边形中心点位移(质心位移)：180.2mm；
底部正五边形绕中心点转角：34.17°。
(2)4杆驱动
整体运动路径沿x向：
驱动器位置标号：1、9、12、21；
驱动器相应作动量：-45.9mm、47.5mm、-44.6mm、-39.1mm；
底部正五边形中心点位移(质心位移)：175.2mm；
底部正五边形绕中心点转角：21.83°。
整体运动路径沿y向：
驱动器位置标号：3、4、8、11；
驱动器相应作动量：-34.0mm、-34.3mm、-45.0mm、44.7mm；
底部正五边形中心点位移(质心位移)：169.4mm；
底部正五边形绕中心点的转角：52.50°。
(3)5杆驱动
整体运动路径沿x向：
驱动器位置标号：1、4、8、14、15；
驱动器相应作动量：-37.2mm、40.3mm、20.6mm、38.8mm、45.1mm；
底部正五边形中心点位移(质心位移)：180.2mm；
底部正五边形绕中心点的转角：23.36°。
整体运动路径沿y向：
驱动器位置标号：1、8、11、15、26；
驱动器相应作动量：38.7mm、-20.0mm、-19.8mm、45.1mm、48.0mm；
底部正五边形中心点位移(质心位移)：180.8mm；
底部正五边形绕中心点的转角：42.67°。
如图12所示，结构在5杆驱动下沿x向运动的驱动杆件布置，压杆1、驱动器压杆9、拉索2、正五边形触地面4。当结构中所有驱动器压杆均收缩到适当长度，将使得张拉整体结构拉索松弛，预应力失效，使结构处于完全折叠状态，能在该状态下以有限的空间实现存储和运输。
如图13所示，结构在上述5杆驱动策略下发生一系列的行进运动，由于30杆结构相较于6杆结构柔性更为显著，仅一步驱动策略就实现了多个底部触地面间的更替，运动过程以闭合正五边形为始，也以闭合正五边形为终，首步以局部翻滚的形式激发结构运动，运动过程则是触地面在正五边形、等腰三角形和正三角形三类基本图形单元和多面组合图形间的不断转变，具有较好的运动稳定性。
上述具体实施方案中的构件尺寸和驱动器作动量是对应于假定压杆为驱动构件，且压杆基准长度为206mm的结构参数，因此在实际应用中，需根据实际情况，预设计结构尺寸，确定驱动方式和控制系统的固定方式，对构件尺寸和驱动策略进行调整。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种30杆球形张拉整体可动结构，其特征在于，该结构包括主体结构和控制系统两部分，所述主体结构采用了30杆球形张拉整体结构形式，撑起一个似球形多面体空间；运动路径离散成多个起始与终止时结构形态完全相同的独立的基本步态，所述控制系统通过每一基本步态相应的驱动策略改变主体结构的构件长度，进而驱动整个结构发生运动。
2.根据权利要求1所述30杆球形张拉整体可动结构，其特征在于，主体结构部分由30根压杆、90根拉索和60个铰接节点构成，每个铰接节点连接3根拉索和1根压杆；压杆长度Lb和拉索长度Lc的长度比为
Figure FDA0002424935650000011
从结构外侧向内侧看，以逆时针方向，单个节点处所引出的3根拉索在压杆法平面投影互相间的夹角βhor依次为109°、97°与154°，3根拉索与压杆法平面的夹角βver依次为11°、-65°与-21°，夹角βver在压杆法平面之上为正，在压杆法平面之下为负。
3.根据权利要求1所述30杆球形张拉整体可动结构，其特征在于，主体结构外包络面由正五边形、等腰三角形、正三角形三种基本图形单元构成，正五边形共计12个，以正五边形各边为腰发散出的等腰三角形，共计60个，相邻三个等腰三角形的底边构成的正三角形，共计20个；正五边形各边长为0.3546Lb，正三角形各边长为0.4293Lb。其中正五边形各边均为拉索；正三角形各边均无拉索。
4.根据权利要求1所述30杆球形张拉整体可动结构，其特征在于，通过控制系统调节主体结构部分拉压构件的长度，主体结构因自平衡性，拉压构件的空间位置发生改变，当结构整体质心在地面的投影离开触地的基本图形单元时，重力作用将激发结构发生行进运动。
5.根据权利要求4所述30杆球形张拉整体可动结构，其特征在于，结构行进运动时，结构触地面在正五边形、等腰三角形、正三角形三类基本图形单元以及通过上述三类基本图形单元组成的多面图形间阶段性转变。
6.根据权利要求1所述30杆球形张拉整体可动结构，其特征在于，主体结构以独立的基本步态作为行进的运动单元，所述基本步态以正五边形触地作为起始，以下一次正五边形触地作为终止。每个基本步态结束后，主体结构中各拉压构件恢复至初始长度，为下一基本步态作准备，实现基本步态的构件驱动组合即为主体结构的驱动策略。
7.根据权利要求6所述30杆球形张拉整体可动结构，其特征在于，结构的行进运动路线，均是通过多个基本步态的组合予以实现。
8.根据权利要求5所述30杆球形张拉整体可动结构，其特征在于，该结构可折叠运输；采用压杆驱动方式时，驱动压杆均适当收缩；采用拉索驱动方式时，驱动拉索均适当伸长；采用构件混合驱动方式时，协调控制对应压杆和拉索的长度，均将引起主体结构拉索的松弛，预应力失效，使结构处于完全折叠状态，在该状态下能以有限的空间对结构进行存储和运输。
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