CN1145733C - 气动结构元件 - Google Patents
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Abstract
一种气动结构元件，其包括一基本上柱形气密的中空本体(1)，其半径为rh，长度为Lh，还有两个由柔性但低延展性的，最好为纺织材料制成的盖罩(5)。中空本体(1)在其受载荷的侧面有长度为Lh的压力杆(2)，该杆被固定防止侧向扭曲，在其两端部有节点(3)。至少一对张拉元件(4)与压力杆(2)连结于节点(3)处。张拉元件(4)绕着中空本体(1)整数圈地以螺旋形式反向旋转，并在位置(8)处互相交叉，位置(8)位于与压力杆(2)相对的表面线(7)上。压力杆(2)、表面线(7)和用A标记的中空本体的纵向轴线限定一接合载荷和力所处的平面E。
Description
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的气动结构元件。
一些可膨胀的管形中空本体形式的气动结构元件如在US3894307(D1)、US4712335(D2)、US5735083(D3)和FR2741373中已知。如果此种元件被横向加载，则待述的目的主要在于包含有张力和剪力而没有使元件坍缩。可包含张力的解决方案主要在专利文件D3和D4中为已知，而在专利文件D1和D2另外地公开了包含剪力的解决方案。
在专利文件D2中，剪力包含于张拉地保持于两分立的结构贴靠件之间的许多碳纤维杆中，如从增强水泥上。所述元件的气动部分仅具有形成压力杆而主要防止侧向扭曲的目的。
在专利文件D1中，几个所述的元件互相平行连结在一起成为一桥。张力包含在单独地置于下面的缆绳中，而剪力包含在彼此靠着置成行的元件的桥板中。各元件自身在此必须固定以防扭曲以至两缆绳平行与气动元件延伸。
在最接近本发明的文件D1和D2中，所述布置确实具有张拉元件和剪切元件，然而，在生产和应用上都非常昂贵。除此以外，单个气动元件仅用作张拉和剪切元件之间分离的保持器，且在这一功能上，其可由其它轻的元件取代。本发明的目的包括生产带有张拉和剪切元件的气动元件，其可以简单而又有效的成本生产，并可容易地组装成复杂结构元件和诸如屋顶、桥的结构，还可以快速完成对其的建立。
本发明的目的在相对其基本特点的权利要求1的特征部分和在相对进一步的有利特点的随后的权利要求作出阐述。
借助于附图通过几个实施例的描述，可更清楚地表现本发明的主题。其中：
图1a是表示气动结构元件的第一实施例的示意性的侧视图；
图1b是图1a所示主体的透视图；
图2是表示受力的示意性视图；
图3a、b、c是第一实施例的结构细节的视图；
图4a至e是在改进的张拉元件的不同布置的视图；
图5是第二实施例；
图6是第三实施例；
图7是第一实施例的应用示例性视图；
图8a、b、c是第四实施例的三向视图；
图9是图8的元件的连结的示例性视图；以及
图10是第五实施例。
图1是表示本发明构思的第一实施例代表的示意图。此处所示元件包括一细长的基本上为柱形的中空本体1，该本体充有压缩空气，其长度为L并带有纵向轴线A，并由柔性和气密材料制成。在其上侧连接有压力杆2，该压力杆上可作用轴向力。其端部形成为节点3，在所有情况下，两张拉元件4紧固于节点上。在所有情况下，中空本体1的轴向端部载装有盖罩5；如这些盖罩5之一装备有阀门6，用于使中空本体1充气或放气。
该两张拉元件4各以相对环绕方式按螺旋形式环抱该中空本体1，例如一圈各带有一恒定节距。因此，它们在与压力杆2相对的表面线7的中心位置处互相交叉。压力杆2和表面线7都位于对称平面E内，其类似地包括中空本体1的标记为A的纵向轴线。压力杆2连接于该中空本体1上，使得例如在中空本体1的松弛状态下可将其推入，如图3a，b所示。这样，将其固定防止侧向扭曲。各种类型的节点3的结构对于结构工程师是公知的和熟悉的，因此在此可略去其代表性示例。
图2是图1a、b的元件的承载时的示例。对称平面E内的力Fm作用于压力杆2的中心。其支撑于节点3。若忽略元件的自身重量，则支撑压力FA作用于各节点3。如本领域技术人员已知的，现从两个节点3对压力杆2施加纯压力FS，而对张拉元件4施加纯张拉力FZ，从而与对称平面E垂直的这些张拉力的矢量组分平衡为零，因而为向与对称平面E垂直的元件提供足够刚度和抗扭曲性。在由张拉元件4的张紧引起的中空本体1的表面压力(单位：牛顿/平方米)必须小于在中空本体1内作用的过压p时，获得此元件的限制载荷。
图3a、b、c是中空本体1的一些结构细节的代表的视图。在图3a的剖面中，以单独的功能将中空本体1布置为：一外层10，例如由织造织物制成，其承受力和张力载荷。在内部，其隐含有合适弹性体的并由外壳10限定且保持成形的气密封管11。例如，有连续或间断的缝在该外壳10上的套筒12，13。套筒13接纳压力杆2，套筒12接纳张拉元件4，其在此处示出的为平坦的条带。
在图3b的说明中，外壳10和管子11形成一功能性整体，标记为压力体14，例如其包括一塑料材料层压的织物，并以已知方式缝、密封、焊接或胶粘。作为对套筒12，13的改型，压力体14带有几个环圈15，16，从而简易的环圈15设置成用于张拉元件4，其位置由其特征如测量线限定，然而用于压力杆2的环圈16制成为所谓的绞盘环圈，其环绕压力杆一圈。在压力体14松弛状态下，环圈16是自由的，可将压力杆2推入而不用费力。然而，在压力体14的工作状态下，它们仅仅紧紧地绕着压力杆2放置，从而防止其侧向扭曲。根据放置在元件上的要求，所用材料可从宽的范围内选用。对于更为简单的应用，纺织材料诸如用于张拉元件4以及中空本体1的包层的聚合物线和织物，是完全足够的和成本有效的。对于压力杆2自身，可以使用简易材料如竹杆。由于通过套筒13把压力杆2很好地固定防止了侧向扭曲，也可将压力杆2从贴靠连结的各个单件放在一起。
然而，对于高的载荷，可提供芳族聚酰胺纤维的纺织材料；对于压力杆2，可以提供使用以合适塑料材料母体的碳纤维的复合材料。
图3a、b、c所示的实施例并不限于其结构；受命解决这些细节的本领域技术人员还会有许多其可采用的进一步解决方案。
图1a，b和图2的气动结构元件的第一实施例最好适合于在元件的中心的一点载荷或均匀分布的载荷。如果必须将载荷分布优化用于其它载荷应用位置，则可增加张拉元件4的数量。这通过图4a至e示出。
图4a示出改进的中空本体1的图1a，b和图2的实施例。在图4b中，各张拉元件4表现为绕中空本体1的两完整圈，并在L/2处紧固于压力杆2上。如果本发明的元件用作支撑梁或与其响应的元件，则图4b的实施例，支撑在L/2处是必要的。从而该实施例与图4a中的一半L之上的对应。
图4c的实施例是关于张拉元件4的图4a和b的叠加。由于中空本体1由张拉元件4支撑于如图4a的L/2处，在此就不再需要中心支撑。而且，省去在L/2处对点载荷的选择。
在图4d的实施例中，应用三对张拉元件4；从而元件适合于线载荷。在张拉元件4交叉的位置8处，它们彼此固定以防移动。图4e是应用两对彼此平行的平行张拉元件4的视图。不在压力杆2的端部终止的张拉元件4也固定于节点元件。该实施例也强调在L/2处对点载荷进行选择。
图5、6示出非柱形中空本体1形式的两实施例。图5为环形中空本体1；则相关压力杆2例如为弧形。
图6的实施例是一双锥体，带有如弧形表面线。显然，本发明的构思包括形状为截头锥体的中空本体1。
图5、6的实施例的张拉元件布置成类似于图1、2。显然，图4a至e的所有在此适合地采用的实施例均类似于本发明。
图7示出本发明的气动结构元件的如图1、2的实施例的代表。几个，如五个这种元件连结在一起成为桥18。在该桥18的各端部，轭架19把桥一侧的所有的节点3连结在一起，并使施加的力FA指向元件。图7所示的轭架19是透明的，由于此种轭架19的结构对于本领域技术人员是公知的，则略去所有技术细节。
在包括中空本体1、压力杆2、张拉元件4的元件之上，如木板20与它们成直角设置，并以公知的方式彼此连结，还与压力杆2连结。桥18的图中未示的另一端以类似方式构造。显然，其它公知类型的甲板盖用于桥是可能的，如打孔钢或其它合适的形式和材料。
用于中空本体1的同步及压力平衡充气的必要的歧管支管和阀门6，由于其技术状态类似没有示出。
图8是本发明构思的另一实施例的代表。图8a是侧视图，图8b是平面视图，图8c是剖面图。包括各种制造改型的中空本体1以与图1的相同方式构造。然而，图8的实施例有连接于侧面的两压力杆2。各压力杆2在各端带有用于强制与压力杆2和张拉元件4接合的节点3。尽管中空本体1有相同的直径，其有效高度是减小的，然而，同时图8的元件(用参考标记22表示)位于用于接纳正和负的弯曲动量的位置。如有必要，该减小的最大载荷能力明显地通过选择较大直径的中空本体1来补偿。可以使用如与图1、2的第一实施例类似或相同的装置，实现把压力杆2紧固于中空本体1上。另外，图4a-e的关于张拉元件的描述也适用于图8的实施例。
图9所示的实施例是图8的元件22的连结。许多此种元件22布置成彼此相互邻接。各压力杆2接纳来自元件22的载荷的压力，其沿图9的两邻接元件22的矢量箭头的方向(载荷力FL)。为了接纳压力杆2，把两邻接中空本体1的壁沿两表面线通过缝、胶粘或焊接连结在一起，从而出现一纵向延伸槽2L通过使中空本体1充气，把推入延伸槽21内的压力杆2夹持于中空本体1之间，其起初仍然松弛，并被固定防止在两个方向上扭曲。利用这种布置，能产生一重量轻的跨度大的屋顶，且其具有额外的承受积雪载荷和风的升力的优点。
提供带有图8的两压力杆2的在图5、6所示的实施例，其也还包含在本发明的构思内。而且，图5和8的此种改型元件可图9连结在一起。于是，可实现一凸面弧形屋顶；通过改变图5和8的元件的曲率半径及其长度，可形成一穹顶。
图10示出本发明构思的又一实施例。四个压力杆2绕着柱形中空本体1以规则的间隔布置。各压力杆2还在其各端部具有节点3，例如在任何情况下两张拉元件4紧固于其上。为了清晰起见，在图10中，各对与压力杆2相关的张拉元件给出相同的标记。使压力杆2固定防止沿柱形中空本体1的方位角方向扭曲，通过套筒(类似于图3的套筒13)防止向外径向扭曲，以及通过中空本体1内的过压防止向内径向扭曲。这样，获得一特别轻且轴向上可高度负载的元件。通过适合的公知的装置，能保证所有四个压力杆上的轴向压力载荷均匀地分布。
Claims (16)
1.一种气动结构元件，其带有一由柔性材料制成的并可由压缩空气充气的气密的细长中空本体(1)，还有至少一压力杆(2)和至少一对张拉元件(4)，其特征在于
上述至少一压力杆(2)沿表面线置于上述中空本体(1)上，并由套筒型元件(13，16)固定防止偏移和扭曲，
上述至少一对张拉元件(4)紧固于上述至少一压力杆(2)的两端，为此目的，上述压力杆(2)具有一节点(3)，用于通过彼此强制接合把上述压力杆(2)和上述张拉元件(4)紧固，
上述至少两个张拉元件(4)各绕着上述中空本体(1)以螺旋反旋转的形式放置，并在与上述压力杆(2)相对的上述中空本体(1)的表面线(7)上互相交叉，
上述节点(3)设计成接纳支撑表面。
2.如权利要求1所述的气动结构元件，其特征在于，上述中空本体(1)包括一气密封层压的张拉织物，并具有至少一个用于充气和放气的阀门(6)。
3.如权利要求1所述的气动结构元件，其特征在于，
上述中空本体(1)包括一形成外壳(10)的张拉织物，
有一弹性体的气密封管(11)，其插入上述外壳并具有至少一个用于充气和放气的阀门(6)。
4.如权利要求2或3所述的气动结构元件，其特征在于，
其具有正好一个包括至少一件的压力杆(2)，其沿着上述中空本体(1)的表面线延伸，
其端部的节点(3)设计成用以接纳支撑力，该支撑力横切并成直角穿过中空本体(1)的纵向轴线。
5.如权利要求4所述的气动结构元件，其特征在于，
正好有一对张拉元件(4)，用强制接合形式使其连接于上述压力杆(4)，从而各张拉元件(4)以对立的形式表现为绕上述中空本体(1)的整数圈。
6.如权利要求5所述的气动结构元件，其特征在于，上述张拉元件(4)各表现为绕上述中空本体(1)的一圈。
7.如权利要求4所述的气动结构元件，其特征在于，正好有两对张拉元件(4)，并使其连结到与上述压力杆(2)成强制接合的上述节点(3)上，从而各对张拉元件(4)表现为绕上述中空本体(1)的整数圈。
8.如权利要求7所述的气动结构元件，其特征在于，一对张拉元件(4)表现为正好一个绕上述中空本体(1)一圈，另一对张拉元件(4)表现为正好两绕上述中空本体(1)二圈。
9.如权利要求4所述的气动结构元件，其特征在于，有多于两对的张拉元件(4)，以强制接合的方式与上述节点连结，从而各对张拉元件(4)表现为绕上述中空本体(1)的整数圈。
10.如权利要求2或3所述的气动结构元件，其特征在于，
正好有两压力杆(2)，沿着上述中空本体(1)的两相对表面线紧固防止扭曲，
将上述节点(3)设计成，它们使各压力杆(2)和与其相关的上述对的张拉元件(4)以强制接合形式连结，并适合于承受横向支撑力，从而这些支撑力与上述压力杆(2)和上述中空本体(1)的纵向轴线所处的平面(E)成直角。
11.如权利要求10所述的气动结构元件，其特征在于，上述中空本体(1)具有基本柱形形式。
12.如权利要求10所述的气动结构元件，其特征在于，上述中空本体(1)基本是圆环形式。
13.如权利要求10所述的气动结构元件，其特征在于，上述中空本体(1)于一侧至少圆锥形地成形。
14.如权利要求11或12或13所述的气动结构元件，其特征在于，对于各压力杆(2)，正好有一对张拉元件(4)，并在上述节点(3)处与上述相关压力杆(2)成强制接合，从而上述张拉元件(4)各表现为一绕上述中空本体(1)的整数圈。
15.如权利要求11或12或13所述的气动结构元件，其特征在于，对于各压力杆，有多于一对的张拉元件(4)，以强制接合的方式在上述相关节点(3)处连结，从而各对张拉元件(4)表现为绕上述中空本体(1)整数圈。
16.如权利要求2或3所述的气动结构元件，其特征在于，
正好有四个压力杆(2)，并紧固防止沿表面线扭向上述中空本体(1)，此表面线彼此互相间隔90°。
每个压力杆(2)有至少一对张拉元件(4)，并在该压力杆(2)的上述节点(3)处用强制接合形式连结，
各对张拉元件(4)具有绕上述中空本体(1)的整数圈，
上述节点(3)也设计成，用于接纳轴向延伸至上述中空本体(1)的力。
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