CN113071708B - 一种航天用离散式装配的零膨胀桁架结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天用离散式装配的零膨胀桁架结构，由若干个双材料三角胞元组成，根据温度载荷作用下双材料热膨胀的相互匹配而导致三角胞元高不变特性，将三角胞元按需排布形成高度方向零膨胀的柱状空间桁架结构。三角胞元的形状为等腰三角形，三角胞元的三条边都为共用边，结构的每层皆由若干个三角胞元围成，每层的三角胞元的底边处于同一水平面内；层状柱形空间桁架结构基于三角胞元的底边和腰离散为两种模块：由n条底边组成的平面正n边形模块、由2n条腰组成的环状结构模块，模块间采用螺栓装配连接。这种结构具有零膨胀，刚度大，易于拆卸和装配，方便运输的优点，可用于航天器外负载的支撑结构。

Description

一种航天用离散式装配的零膨胀桁架结构

技术领域

本发明涉及航天器结构设计领域，特别是涉及一种航天用离散式装配的零膨胀桁架结构。

背景技术

航天器在轨服役过程中，对一些负载器件，如，光学遥感系统、摄像系统、天线等的定位或聚焦的公差要求越来越高。而航天器围绕地球公转时，向阳面和被阴面温差非常大，超过300℃，温差使器件的支撑结构热胀冷缩进而导致定位或聚焦有偏差。因此需要采用零膨胀结构作为器件的支撑。

在目前的研究中，零膨胀结构的实现是由具有不同热膨胀系数的两种材料构成的，它是通过结构设计，利用两种材料热膨胀的相互匹配，将结构整体的宏观热膨胀转换为结构内部变形而实现的。常见的零膨胀结构有两种类型，分别是通过拓扑优化得到的弯曲型零膨胀结构和通过等腰三角形胞元底边和腰变形匹配得到的桁架结构。当前的零膨胀结构虽然理论上都能实现零膨胀的特性，但在应用中有如下缺陷：弯曲型零膨胀结构热应力过大，且热应力为弯曲应力；有界面存在，降低了结构整体强度；并且不易组装。三角胞元桁架结构多采用三角形顶角对顶角的刚接方式，导致结构整体刚度较低，且难以拆卸、组装和运输。

为解决这两个问题，本发明提出一种航天用离散式装配的零膨胀桁架结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种航天用离散式装配的零膨胀桁架结构，以解决上述现有技术存在的问题，使现有技术中结构整体刚度较低，且难以拆卸、组装和运输的问题得到解决。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种航天用离散式装配的零膨胀桁架结构，所述桁架结构包括若干个平面正n边形模块和若干个环状结构模块，所述环状结构模块的顶点分别对应于两侧的两个所述平面正n边形模块的顶点，所述平面正n边形模块与所述环状结构模块通过顶点固定连接；所述平面正n边形模块和所述环状结构模块连接后围成若干个三角胞元。

进一步的，所述环状结构模块的顶点数量为所述平面正n边形模块的顶点数量的二倍。

进一步的，所述平面正n边形模块与所述环状结构模块为两种不同材料制成。

进一步的，所述平面正n边形模块的材料热膨胀系数为α₁、长为L₁，所述环状结构模块的材料热膨胀系数为α₂、长为L₂。

进一步的，所述桁架结构的构件几何需要满足以下公式：

其中β为所述三角胞元的顶角的度数，2θ为所述平面正n边形模块的每条边对应的圆心角。

进一步的，所述平面正n边形模块和所述环状结构模块皆采用精密加工或3D打印制备而成。

进一步的，所述连接方式为：在所述环状结构模块与所述平面正n边形模块的每个顶点设置互相对应的带螺孔的螺栓连接脚，将相对应的螺孔用螺栓连接。

进一步的，所述桁架结构按照“平面正n边形模块--环状结构模块--平面正n边形模块--环状结构模块--平面正n边形模块…”的形式分层组装。

本发明公开了以下技术效果：

本发明采用了双材料三角胞元，根据温度载荷作用下双材料热膨胀的相互匹配的原理，三角胞元具有高不变特性，将三角胞元按需排布形成高度方向零膨胀的柱状空间桁架结构，且在制备和组装时，此桁架结构能离散成两种不同材料体系的模块。故本发明的这种桁架结构具有零膨胀，刚度大，易于拆卸和装配，方便运输的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为双材料三角胞元的结构示意图；

图2为零膨胀桁架结构的离散式装配示意图，其中，(a)为离散式装配的主视图，(b)为平面正n边形模块的俯视图，1为平面正n边形模块，2为环状结构模块，3为带螺孔的螺栓连接脚；

图3为正四边形零膨胀桁架结构模型；

图4为正四边形零膨胀桁架结构在温度载荷作用下的变形图；

图5为正八边形零膨胀桁架结构模型。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。

实施例1

所述的零膨胀桁架结构，其零膨胀的机理是基于温度载荷作用下双材料三角胞元高不变的特性实现的。所述的双材料三角胞元的形状为等腰三角形，所述三角形底边的热膨胀系数为α₁、长为L₁，两个腰的热膨胀系数为α₂、长为L₂，顶角的度数为β，如图1所示，其中顶角的度数取决于两种材料的热膨胀系数。

以所述三角形的三条边都作为共用边，将双材料三角胞元拼装为层状柱形空间桁架结构。调整拼装角度，使组成每一层桁架结构的三角形底边位于同一个平面内。整个柱形桁架结构离散为两种模块：由n个底边组成的平面正n边形模块以及由2n个腰组成的环状结构模块，如图2(a)所示。正n边形每条边对应的圆心角为2θ，如图2(b)所示。环状结构模块的2n个顶点分别对应于两侧的两个正n边形模块顶点。

需使以上参数满足：

其中平面正n边形模块是由热膨胀系数为α₁的材料制备的；环状结构模块是由热膨胀系数为α₂的材料制备的。

平面正n边形模块每个顶点和环状结构模块每个顶点处设置互相对应的带螺孔的螺栓连接脚。

组成零膨胀桁架结构的平面正n边形模块和环状结构模块分别由两种材料单独制备而成。运输、存放时可分别叠放。组装时，按照正n边形--环--正n边形--环--正n边形…的形式分层组装，将相对应的螺孔用螺栓连接。

平面正n边形模块和环状结构模块采用精密加工或3D打印制备而成。

实施例2

本实施例2以正四边形零膨胀桁架结构为例。

步骤一，选材。选用铝合金和不锈钢为双材料体系。铝合金热膨胀系数α₁＝23.0×10-6/℃，弹性模量E＝71GPa，泊松比μ1＝0.35；不锈钢热膨胀系数α₂＝10.3×10-6/℃，弹性模量E2＝193GPa，泊松比μ2＝0.28。

步骤二，正四边形设计。正四边形材料为铝合金，每个边横截面尺寸为3mm×3mm，四边形中心线围成的正方形尺寸为50mm×50mm。正四边形每个顶点设置带螺孔的螺栓连接脚，螺孔直径为1mm，总共需要5个这样的正四边形。

步骤三，环状结构设计。环状结构材料为不锈钢，由八个横截面尺寸为3mm×3mm的边首尾连接而成的。根据式(1)计算可得，β＝76.4°。可首先由环状结构两侧互相平行且夹角为45°的两个正四边形的顶点进行定位。环状结构每个顶点设置带螺孔的螺栓连接脚，与正四边形的螺孔连接脚对应，螺孔直径为1mm。总共需要4个这样的环状结构。

步骤四，将正四边形和环状结构按图3的模式组装，对应的螺孔用螺栓连接。最终形成离散式装配的正四边形零膨胀桁架结构。

将得到的模型导入有限元ANSYS，加载200℃温度载荷后，结构的变形前后对比如图4所示。可见，结构的整体高度未发生变化，而横向尺寸变大。实现了高度方向的零膨胀功能。

实施例3

若以八边形零膨胀桁架结构为例，在选材相同的情况下，环状结构顶角β＝82.0°，其他步骤与四边形零膨胀桁架结构相一致。如图5所示。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种航天用离散式装配的零膨胀桁架结构，其特征在于：所述桁架结构包括若干个平面正n边形模块和若干个环状结构模块，所述平面正n边形模块与所述环状结构模块为两种不同材料制成，所述平面正n边形模块的材料热膨胀系数为α₁、长为L₁，所述环状结构模块的材料热膨胀系数为α₂、长为L₂；

所述环状结构模块的顶点分别对应于两侧的两个所述平面正n边形模块的顶点，所述平面正n边形模块与所述环状结构模块通过顶点固定连接；所述平面正n边形模块和所述环状结构模块连接后围成若干个三角胞元；

所述桁架结构的构件几何需要满足以下公式：

其中β为所述三角胞元的顶角的度数，2θ为所述平面正n边形模块的每条边对应的圆心角；

所述连接方式为：在所述环状结构模块与所述平面正n边形模块的每个顶点设置互相对应的带螺孔的螺栓连接脚，将相对应的螺孔用螺栓连接；

所述桁架结构按照“平面正n边形模块--环状结构模块--平面正n边形模块--环状结构模块--平面正n边形模块…”的形式分层组装；

桁架结构包括由正四边形模块和环状结构模块构成的桁架结构或由正八边形模块和环状结构模块构成的桁架结构；

当桁架结构由所述正四边形模块和所述环状结构模块构成时，加载200℃温度载荷后，结构的整体高度未发生变化，横向尺寸变大，其中所述正四边形模块采用铝合金材料，所述环状结构模块采用不锈钢材料，β＝76.4°；

当桁架结构由所述正八边形模块和所述环状结构模块构成时，加载200℃温度载荷后，结构的整体高度未发生变化，横向尺寸变大，β＝82.0°。

2.根据权利要求1所述的一种航天用离散式装配的零膨胀桁架结构，其特征在于：所述环状结构模块的顶点数量为所述平面正n边形模块的顶点数量的二倍。

3.根据权利要求1所述的一种航天用离散式装配的零膨胀桁架结构，其特征在于：所述平面正n边形模块和所述环状结构模块皆采用精密加工或3D打印制备而成。

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