CN112744347B - 一种承受成对出现的侧向载荷的空间桁架结构 - Google Patents
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Abstract
本发明飞机传力结构设计领域，具体涉及一种承受成对出现的侧向载荷的空间桁架结构。所述空间桁架结构的空间外形截面为倒“凹”形，具有基本的空间单胞结构，空间桁架结构由单胞结构沿截面的垂线方向拼接延拓形成。该三维桁架结构具有重量轻、传载效率高，以及拼装简单，能够根据实际使用情况调整其大小的特点。
Description
技术领域
本发明飞机传力结构设计领域，具体涉及一种承受成对出现的侧向载荷的空间桁架结构。
背景技术
开剖面舱体结构在飞机上有着广泛的应用，并且飞机的实际传载情况决定了开剖面舱体结构会承受成对出现的侧向载荷。相比较于闭剖面结构，开剖面舱体的结构特点决定了其承受侧向载荷的能力较低。出于减重的考虑，对于飞机上的部分实体结构，往往会在突出主要传力特点的基础上，以桁架等结构进行代替。但是对于此类承受成对出现的侧向力的开剖面结构，尚没有可以直接选用的构造简单、传载效率高的桁架结构。
发明内容
发明目的：提供一种重量轻传载效率高拼装简单的承受成对出现的侧向载荷的空间桁架结构。
技术方案：
第一方面，提供了一种承受成对出现的侧向载荷的空间桁架结构，所述空间桁架结构的空间外形截面为倒“凹”形，具有基本的空间单胞结构，空间桁架结构由单胞结构沿截面的垂线方向拼接延拓形成。
进一步地，所述的单胞结构具有三个连接方式完全相同的槽型面，分别为第一槽型面、中槽型面和第二槽型面，单胞结构被中槽型面分割为两个镜面对称的单胞前半部分和单胞后半部分。
进一步地，所述的第一槽型面、中槽型面和第二槽型面的外部轮廓的几何形状均为倒“凹”字形，分别由二力杆件通过铰接的方式连接而成。
进一步地，所述的倒“凹”字形槽型面有12个铰接节点，其中8个位于倒“凹”字形截面的8个几何顶点处，2个位于截面内部“n”形结构顶边的延长线与左右最外侧的边的交点处，2个位于截面内部“n”形结构左右两侧边与截面顶部边的交点上。
进一步地于，第一槽型面、中槽型面和第二槽型面的底部左右两侧最外部的节点分别与截面内部“n”形结构顶部的同侧节点之间连接有斜向支撑杆件。
进一步地，第一槽型面、中槽型面和第二槽型面的顶部左右两侧最外部的节点分别与截面内部“n”形结构顶部的同侧节点之间连接有斜向支撑杆件。
进一步地，单胞前半部分的第一槽型面和中部槽型面之间的连接杆中，四根杆位于单胞前半部分左右两最外侧壁面的上下四边形方框结构的对角线方向且连接方式关于单胞的左右中面对称，两根杆位于单胞前半部分最底部左右四边形方框结构的对角线方向，且连接方向关于单胞的左右中面对称，两根杆位于单胞前半部分顶面左右两侧的四边形方框结构的对角线方向，且连接方向关于单胞的左右中面对称。
进一步地，所述的单胞前半部分的前后端面之间的连接杆中，两根杆分别位于单胞前半部分左右两侧内壁面的对角线方向，且连接方式关于单胞的左右中面对称。
有益效果：
本发明对实际中承受成对出现侧向载荷的结构进行了简化，提出了一种承受该载荷三维空间桁架结构，该三维桁架结构具有重量轻、传载效率高，以及拼装简单，可以根据实际使用情况调整其大小等特点。
附图说明
图1为单胞结构前槽型面、中槽型面和后槽型面示意图；
图2为单胞前半部分结构示意图；
图3为单胞结构示意图；
图4为三维空间桁架结构示意图。
其中，1-第一底部横杆；2-第二底部横杆；3-第一中部横杆；4-第二中部横杆；5-第三中部横杆；6-第一顶部横杆；7-第二顶部横杆；8-第三顶部横杆；9-第一左侧竖杆；10-第二左侧竖杆；11-第三左侧竖杆；12-第四左侧竖杆；13-第一右侧竖杆；14-第二右侧竖杆；15-第三右侧竖杆；16-第四右侧竖杆；17-第一左面斜杆；18-第二左面斜杆；19-第一右面斜杆；20-第二右面斜杆；
I-单胞前半部分左外侧面；II-单胞前半部分右外侧面；III-单胞前半部分左底面；IV-单胞前半部分右底面；V-单胞前半部分左内壁面；VI-单胞前半部分右内壁面；VII-单胞前半部分顶面；VIII-单胞第一槽型面；IX-单胞中槽型面。
具体实施方式
为了弥补上述不足，在理论分析与优化迭代计算的基础上，本发明提出了一种适合承受成对侧向载荷的空间桁架结构，该结构具有承载效率高，并且结构简单，易于连接的特点。
为了对开剖面舱体结构在侧向力的作用下的传力路径进行优化，本发明在理论分析的基础之上针对开剖面舱体结构在承受成对侧向载荷时的传力路径进行了设计。考虑到每对侧向载荷作用在同一个平面内，因此本发明首先通过优化迭代设计确定了平面桁架的结构特点。在此基础之上，按照几何不变原则在两个相同的平面桁架之间连接适当的二力杆件，将平面桁架结构连接成空间桁架结构。相比较于杆板结构与其他桁架结构，这一空间桁架结构具有传力路径清晰，结构简单，重量较轻等特点，具有一定的工程应用价值。
本发明主要是通过如下的技术方案实现来的：
本发明由三维空间桁架结构组成，上述的三维空间桁架结构，其空间外形为倒“凹”形，具有基本的空间单胞结构。该三维空间桁架结构，由单胞结构沿其截面的垂线方向拼接延拓而得到。
上述的单胞结构，具有三个连接方式完全相同的槽型面，分别为第一槽型面、中槽型面和第二槽型面。单胞结构被中槽型面分割为两个镜面对称的单胞前半部分和单胞后半部分。
上述的第一槽型面、中槽型面和第二槽型面，其外部轮廓的几何形状均为倒“凹”字形，分别由20根二力杆件通过铰接的方式连接而成。
上述的倒“凹”字形槽型面，其外部几何轮廓上布置有12个铰接节点。
上述的倒“凹”字形槽型面，具有左右对称轴。
上述的倒“凹”字形槽型面的12个铰接节点，其中8个位于倒“凹”字形截面的8个几何顶点处。
上述的倒“凹”字形槽型面的12个铰接节点，其中2个位于截面内部“n”形结构顶边的延长线与左右最外侧的边的交点处。
上述的倒“凹”字形槽型面的12个铰接节点，其中2个位于截面内部“n”形结构左右两侧边与截面顶部边的交点上。
上述的倒“凹”字形槽型面，除过截面内部“n”形结构底部的两个节点之间未连杆件之外，其余的节点均与其水平和竖直方向的相邻节点之间连接有杆件，其水平与竖直方向的杆件共计16根。
上述的倒“凹”字形槽型面，其底部左右两侧最外部的节点，与截面内部“n”形结构顶部的同侧节点之间连接有斜向支撑杆件。
上述的倒“凹”字形槽型面，其顶部左右两侧最外部的节点，与截面内部“n”形结构顶部的同侧节点之间连接有斜向支撑杆件。
如图2，上述的单胞前半部分，在第一槽型面和中部槽型面之间连接有22根杆件。
上述的单胞前半部分的第一槽型面和中部槽型面之间的22根杆中，12根杆的方向平行于倒“凹”字形槽型面的法线方向，分别连接第一槽型面和中部槽型面相同位置处的较节点。
上述的单胞前半部分的第一槽型面和中部槽型面之间的22根杆中，2根杆位于单胞前半部分最底部左右四边形方框结构的对角线方向，且连接方向关于单胞的左右中面对称。
上述的单胞前半部分的第一槽型面和中部槽型面之间的22根杆中，2根杆位于单胞前半部分顶面左右两侧的四边形方框结构的对角线方向，且连接方向关于单胞的左右中面对称。
上述的单胞前半部分的第一槽型面和中部槽型面之间的22根杆中，4根杆分别位于单胞前半部分左右两最外侧壁面的上下四边形方框结构的对角线方向，且连接方式关于单胞的左右中面对称。
上述的单胞前半部分的前后端面之间的22根杆中，2根杆分别位于单胞前半部分左右两侧内壁面的对角线方向，且连接方式关于单胞的左右中面对称。
本发明中所涉及到的空间桁架结构主要承受成对出现的侧向力，该结构可以应用于需要承受成对出现的侧向力的槽型结构的简化设计，例如飞机的弹舱等槽型结构件。具体实施方式如下：
首先根据实际中的结构确定需要可以放置该三维桁架结构的空间尺寸，确定空间尺寸的最小截面积，以便确定出图1所示每个杆件的长度。杆件的截面积按照桁架强度校核的工程算法确定。杆件的长度和截面积确定之后，将杆件按照图1所示的方式进行铰接。
其次，根据实际空间沿其桁架轴线方向的尺寸，大致确定出需要拼装的桁架总长度和单胞的数目。
然后，拼接出图3所示的桁架单胞结构，并按照所需的长度，沿单胞的轴线方向连接多个单胞结构，形成图4所示的三维桁架结构。最后，在桁架结构的前后端面处施加约束，在图4所示的底部左右外侧节点处沿规定方向施加侧向载荷。
Claims (1)
1.一种承受成对出现的侧向载荷的空间桁架结构，其特征在于，空间桁架结构应用于需要承受成对出现的侧向力的开剖面槽型结构，所述空间桁架结构的空间外形截面为倒“凹”形，具有基本的空间单胞结构，空间桁架结构由单胞结构沿截面的垂线方向拼接延拓形成，所述的单胞结构具有三个连接方式完全相同的槽型面，分别为第一槽型面、中槽型面和第二槽型面，单胞结构被中槽型面分割为两个镜面对称的单胞前半部分和单胞后半部分，所述的第一槽型面、中槽型面和第二槽型面的外部轮廓的几何形状均为倒“凹”字形，分别由二力杆件通过铰接的方式连接而成，所述的倒“凹”字形槽型面有12个铰接节点，其中8个位于倒“凹”字形截面的8个几何顶点处，2个位于截面内部“n”形结构顶边的延长线与左右最外侧的边的交点处，2个位于截面内部“n”形结构左右两侧边与截面顶部边的交点上，第一槽型面、中槽型面和第二槽型面的底部左右两侧最外部的节点分别与截面内部“n”形结构顶部的同侧节点之间连接有斜向支撑杆件，第一槽型面、中槽型面和第二槽型面的顶部左右两侧最外部的节点分别与截面内部“n”形结构顶部的同侧节点之间连接有斜向支撑杆件，单胞前半部分的第一槽型面和中部槽型面之间的连接杆中，四根杆位于单胞前半部分左右两最外侧壁面的上下四边形方框结构的对角线方向且关于单胞结构的左右中面对称，两根杆位于单胞前半部分最底部左右四边形方框结构的对角线方向，且关于单胞结构的左右中面对称，两根杆位于单胞前半部分顶面左右两侧的四边形方框结构的对角线方向，且关于单胞结构的左右中面对称，所述的单胞前半部分的前后端面之间的连接杆中，两根杆分别位于单胞前半部分左右两侧内壁面的对角线方向，且关于单胞结构的左右中面对称，单胞结构的数目根据实际空间沿桁架轴线方向需要拼装的桁架总长度确定。
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