一種八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，由八面體變幾何桁架和超彈張力線組成。八面體變幾何桁架由一個或多個八面體基本單元構(gòu)成，每個八面體基本單元由十二根等長的桁架伸縮桿和六個球關(guān)節(jié)組成，相鄰兩個八面體基本單元共用一面，八面體基本單元表面的每個三角形的三個球關(guān)節(jié)用三根超彈張力線相連，三根超彈張力線匯聚于三角形的中心點，并由一平面掛鉤連接。超彈張力線使每個八面體基本單元處于壓緊狀態(tài)，桁架桿只出現(xiàn)壓力而不出現(xiàn)拉力。本發(fā)明提供的一種八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，構(gòu)造簡單，加工方便，張緊裝置易于安裝，節(jié)點尺寸較小，力傳遞路徑明確，可用于建筑、橋梁、航天等領(lǐng)域的變幾何桁架結(jié)構(gòu)中。
【專利說明】一種八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新材料結(jié)構(gòu)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種可應用于航天、建筑、橋梁工程等 領(lǐng)域的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003] 變幾何桁架是一種較新的航天結(jié)構(gòu)形式，可用于航天器操控臂或空間吊車臂的承 載結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的機械臂相比，變幾何桁架伸展臂具有運動靈活、質(zhì)量小、剛度大及收納率 1?等優(yōu)點。
[0004] 正多面體是構(gòu)成變幾何桁架的基本單元，而正八面體是變幾何桁架最多采用的單 元形式，因為正八面體所構(gòu)成的空間桁架單元為恰靜定體系，無內(nèi)部機構(gòu)數(shù)，也無超靜定 數(shù)。但實際工程中，八面體的每個桿件既可能受軸向壓縮，也可能受軸向拉伸，因此需要節(jié) 點既能夠承受一定壓力，也能夠承受一定拉力。這一要求使得節(jié)點設(shè)計難度非常大，節(jié)點構(gòu) 造復雜，節(jié)點尺寸大，從而增加了桁架的自身重量。
[0005]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明公開了 一種八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，解決了八面體單元變幾何桁架 節(jié)點構(gòu)造復雜，節(jié)點尺寸大的問題，進而減小了祐1架的自身重量。
[0007] 本發(fā)明提供了一種八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述八面體單元 桁架超彈張力結(jié)構(gòu)包括： 八面體變幾何桁架，由若干桁架桿連接組成，各所述桁架桿之間通過球關(guān)節(jié)相連，所述 祐1架桿與所述球關(guān)節(jié)接觸形成轉(zhuǎn)動副； 超彈張力線，所述八面體變幾何桁架每個平面內(nèi)的每個球關(guān)節(jié)上均設(shè)置有一根所述超 彈張力線，且同一平面每個球關(guān)節(jié)上設(shè)置的超彈張力線匯聚連接于該平面的中心點上；在 所述超彈張力線的張力作用下，所述各桁架桿與所述球關(guān)節(jié)之間接觸使得所述八面體單元 變幾何桁架組成一整體。
[0008] 較佳地，所述變幾何祐1架包括一個或一個以上的八面體基本單元,且相鄰兩所述 八面體基本單元之間共用一面。
[0009] 較佳地，所述八面體基本單元包括十二根桁架桿與六個球關(guān)節(jié)，每三根所述桁架 桿形成所述八面體基本單元表面上的一個三角形；各所述桁架桿之間通過所述球關(guān)節(jié)相 連，且每四根所述桁架桿共用一個所述球關(guān)節(jié)。
[0010] 較佳地，所述十二根桁架桿全部為可伸縮桿或部分為可伸縮桿。
[0011] 較佳地，所述桁架桿的兩端設(shè)置有球形凸面。
[0012] 較佳地，所述球關(guān)節(jié)上設(shè)置有四個或六個與所述桁架桿兩端的球形凸面相匹配的 球形凹面，所述球形凸面伸進所述球關(guān)節(jié)的球形凹面內(nèi)形成轉(zhuǎn)動副。
[0013] 較佳地，所述球形凹面的球心、頂點和所述球關(guān)節(jié)的球心在同一條直線上，且所述 球形凹面的球心、頂點和所述球關(guān)節(jié)的球心的連線與所述桁架桿的軸線同軸。
[0014] 較佳地，相鄰兩個所述圓形凹面之間設(shè)置有一掛環(huán)，所述超彈張力線的一端通過 所述掛環(huán)連接到所述球關(guān)節(jié)上。
[0015] 較佳地，所述八面體變幾何桁架上超彈張力線的另一端通過一平面掛鉤匯聚連 接。
[0016] 較佳地，所述平面掛鉤具有三個中心對稱呈圓周的分布的開口，所述超彈張力線 的另一端連接到所述平面掛鉤的開口內(nèi)。
[0017] 本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效 果： 1) 本發(fā)明提供的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，包括若干八面體基本單元，可隨意組 合，構(gòu)成多種復雜形式的八面體桁架結(jié)構(gòu)，單元擴展性好，滿足航天、建筑及橋梁設(shè)計等領(lǐng) 域的需求； 2) 本發(fā)明提供的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其中每個八面體基本單元由桁架桿和 球關(guān)節(jié)組成，桁架桿與球關(guān)節(jié)之間接觸連接形成轉(zhuǎn)動副，再通過超彈張力線的張力作用實 現(xiàn)整體壓緊連接，保證了球關(guān)節(jié)始終處于受壓狀態(tài)，桁架桿也處于始終受壓狀態(tài)，從而使得 節(jié)點形式設(shè)計容易，構(gòu)造簡單，球關(guān)節(jié)節(jié)點與桁架桿連接方便，力傳遞路徑明確； 3) 本發(fā)明中桁架桿采用伸縮桿，通過控制各個桁架伸縮桿的長度可以使八面體基本單 元變化出需要的構(gòu)型，進而是整體結(jié)構(gòu)具備變幾何的特性，應用各種桁架形式變化結(jié)構(gòu)； 4) 本發(fā)明中球關(guān)節(jié)的尺寸小、自身重量輕、材料用料少； 5) 本發(fā)明采用超彈張力線將八面體基本單元表面的每個三角形壓緊，使八面體結(jié)構(gòu)緊 湊，受環(huán)境影響小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 結(jié)合附圖，通過下文的述詳細說明，可更清楚地理解本發(fā)明的上述及其他特征和 優(yōu)點，其中： 圖1為本發(fā)明提供的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)的立體示意圖； 圖2為本發(fā)明提供的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)的正視圖； 圖3為本發(fā)明提供的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)的俯視圖； 圖4為本發(fā)明中桁架桿的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明中平面掛鉤和超彈張力線的示意圖； 圖6為本發(fā)明中球關(guān)節(jié)示意圖一； 圖7為本發(fā)明中球關(guān)節(jié)示意圖二； 圖8為本發(fā)明超彈張力線、桁架桿與球關(guān)節(jié)連接的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 符號說明： a_八面體基本單元 1-球關(guān)節(jié) 2_桁架桿 3_球關(guān)節(jié) 4- 超彈張力線 5- 平面掛鉤 6、7_球形凸面 8_球形凹面 9-掛環(huán)。
[0020]

【具體實施方式】
[0021] 參見示出本發(fā)明實施例的附圖，下文將更詳細地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以 許多不同形式實現(xiàn)，并且不應解釋為受在此提出之實施例的限制。相反，提出這些實施例是 為了達成充分及完整公開，并且使本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員完全了解本發(fā)明的范圍。這些附 圖中，為清楚起見，可能放大了層及區(qū)域的尺寸及相對尺寸。
[0022] 現(xiàn)參考附圖1-8,詳細描述本發(fā)明提供的一種八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，該八 面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)由一個或多個八面體基本單元a構(gòu)成，相鄰兩八面體基本單元 共用一面。其中，八面體基本單元a為由若干桁架桿2和球關(guān)節(jié)1組成的結(jié)構(gòu)，八面體基本 單元a上還設(shè)置有用于將桁架桿2與球關(guān)節(jié)1壓緊的超彈張力線4。以下就八面體單元桁 架超彈張力結(jié)構(gòu)由兩個八面體基本單元a的實施例，進行詳細介紹。當然以上只是一種實 施例，具體實施過程中八面體基本單元a的個數(shù)以及組合方式均可根據(jù)具體情況來設(shè)計， 此處不作限制。
[0023] 具體的，每個八面體基本單元a包括十二根等長的桁架桿2和六個球關(guān)節(jié)1，每三 根桁架桿2形成八面體基本單元a表面的一個三角形，各桁架桿2之間通過球關(guān)節(jié)3相連， 且每四根桁架桿2共用一球關(guān)節(jié)1，從而十二根等長的桁架桿2和六個球關(guān)節(jié)3組成了八 面體基本單元的八個面和六個頂點。相鄰的兩八面體基本單元共用三個桁架桿2,如圖1-2 中所示，上下兩八面體基本單元共用了三根桁架桿2,且同時六根桁架桿2共用一球關(guān)節(jié)1。
[0024] 在本實施例中，如圖4所示，桁架桿2呈直線形圓桿狀，其兩端分別設(shè)置有球形凸 面6、7 ;若干桁架桿中部分為可伸縮桿或全部為可伸縮桿，可以伸長或縮回到原長，并可將 桁架桿2的長度鎖定在任意可達到的長度，使八面體基本單元a成為一種變幾何桁架，當然 桁架桿2中為拉伸桿的數(shù)量不限定，可根據(jù)具體情況而定。如圖6或7中所示，球關(guān)節(jié)1上 設(shè)置有四個或六個與桁架桿2兩端的球形凸面6、7相匹配的球形凹面8,兩個兩八面體基本 單元a共用的三個球關(guān)節(jié)1上設(shè)置有六個球形凹面8,其余的球關(guān)節(jié)1上設(shè)置有四個球形凹 面8,且球形凹面8的球心、頂點和球關(guān)節(jié)3的球心在同一條直線上；桁架桿2端部的球形 凸面6、7伸進球形凹面8內(nèi)，且保證球形凹面8的球心、頂點和球關(guān)節(jié)1的球心的連線與所 述桁架桿的軸線同軸。如圖8所示，桁架桿2兩端的球形凸面、7分別插進各球關(guān)節(jié)3的球 形凹面8內(nèi)，兩者相連形成轉(zhuǎn)動副。
[0025] 在本實施例中，每個八面體基本單元a還包括若干超彈張力線4和平面掛鉤5。具 體的，八面體基本單元a每個三角形上的三個球關(guān)節(jié)1上均連接有一根超彈張力線4,超彈 張力線4具體可以采用橡皮筋等彈性材料或彈簧，此處不作限制；三個球關(guān)節(jié)1上連接的三 根超彈張力線4以三角形平面中心呈中心對稱布置，并通過平面掛鉤5匯聚連接于三角形 的中心位置處。其中，如圖6-8中所示，球關(guān)節(jié)1上每兩個球形凹面8之間設(shè)置有一個掛環(huán) 9,每個球關(guān)節(jié)1上設(shè)置有四個或六個掛環(huán)9,超彈張力線4的一端連接到掛環(huán)9上。如圖5 中所述，每個平面掛鉤5上具有三個中心對稱呈圓周分布的開口，超彈張力線4的另一端連 接到該開口內(nèi)；平面掛鉤5采用以上結(jié)構(gòu)形式是為了方便超彈張力線的安裝，當然平面掛 鉤的形狀并不以此為限，可根據(jù)具體情況進行設(shè)計。
[0026] 在本實例中，每個八面體基本單元a上設(shè)置有24根超彈張力線4和八個平面掛鉤 3, 24根超彈張力線4將八面體基本單元a表面的每個三角形壓緊，且使得超彈張力線4在 八面體基本單元最小狀態(tài)下呈現(xiàn)張緊狀態(tài)，超彈張力線4隨著八面體基本單元形狀改變而 變化長度，且一直處于彈性變形狀態(tài)。當然，上述每個八面體基本單元a上設(shè)置的超彈張力 線4和平面掛鉤3的數(shù)目可根據(jù)具體情況來調(diào)整，比如在球節(jié)點1邊面各球形凹面8的中 間位置上加設(shè)掛環(huán)9,從而可在八面體基本單元a的對角線上連接超彈張力線4,從而有利 于加強每個八面體基本單元a整體的緊湊性、壓緊力等。
[0027] 本發(fā)明提供的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)內(nèi)部連接過程以及受力狀況如下： 十二根桁架伸縮桿2和六個關(guān)節(jié)球節(jié)點1之間相互組合形成一個八面體基本單元a，兩 個八面體基本單元a共用三根桁架桿2和三個球關(guān)節(jié)節(jié)點1組合形成八面體單元變幾何桁 架架構(gòu)。具體的，各桁架桿2兩端的球形凸面6和7分別插進各球關(guān)節(jié)1的凹面8內(nèi)，并可 以相對轉(zhuǎn)動，因此桁架桿2與球關(guān)節(jié)1之間只傳遞壓力，而不傳遞拉力。超彈張力線4將組 成每個三角形的球關(guān)節(jié)1連在一起，超彈張力線4在任何狀態(tài)只有拉力而不會有壓力，因此 將各個球關(guān)節(jié)1之間有向內(nèi)收縮的趨勢，球關(guān)節(jié)1與桁架桿2之間只存在壓力而沒有拉力。
[0028] 超彈張力線4存在于八面體單元桁架結(jié)構(gòu)的每個三角形所在的平面內(nèi)，使整個桁 架結(jié)構(gòu)處于張緊內(nèi)縮的狀態(tài)，超彈張力線4的拉力傳遞到球關(guān)節(jié)節(jié)點1，然后均勻的傳遞到 桁架桿2上，使得桁架桿2 -直處于受壓狀態(tài)，同時保證了八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)的 整體性，因此可以承受一定的載荷。
[0029] 當八面體單元桁架結(jié)構(gòu)的桁架桿2長度發(fā)生變化時，該具有伸縮特性的桁架桿2 可以將長度鎖定到任意可以達到的長度，從而改變八面體基本單元a的整體形狀，滿足一 定的整體結(jié)構(gòu)變化要求。此時，超彈張力線4依然處于拉伸狀態(tài)，張緊力傳遞路徑不發(fā)生變 化，八面體桁架結(jié)構(gòu)依舊可以保持穩(wěn)定，承受一定載荷。
[0030] 本發(fā)明提供的一種八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，采用以上所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得 節(jié)點設(shè)計容易，構(gòu)造簡單，球關(guān)節(jié)節(jié)點與桁架桿連接方便，力傳遞路徑明確。而且所述球關(guān) 節(jié)節(jié)點的尺寸小、自身重量輕、材料用料少。所述超彈張力線將八面體基本單元表面的每個 三角形張緊，使八面體結(jié)構(gòu)緊湊，受環(huán)境影響小。
[0031] 綜上所述，本發(fā)明提供了一種八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，由八面體變幾何桁 架和超彈張力線組成。八面體變幾何桁架由一個或多個八面體基本單元構(gòu)成，每個八面體 基本單元由十二根等長的桁架伸縮桿和六個球關(guān)節(jié)組成，相鄰兩個八面體基本單元共用一 面，八面體基本單元表面的每個三角形的三個球關(guān)節(jié)用三根超彈張力線相連，三根超彈張 力線匯聚于三角形的中心點，并由一平面掛鉤連接。超彈張力線使每個八面體基本單元處 于壓緊狀態(tài)，桁架桿只出現(xiàn)壓力而不出現(xiàn)拉力。本發(fā)明提供的一種八面體單元桁架超彈張 力結(jié)構(gòu)，構(gòu)造簡單，加工方便，張緊裝置易于安裝，節(jié)點尺寸較小，力傳遞路徑明確，可用于 建筑、橋梁、航天等領(lǐng)域的變幾何桁架結(jié)構(gòu)中。
[0032] 本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員應理解，本發(fā)明可以以許多其他具體形式實現(xiàn)而不脫離本 發(fā)明的精神或范圍。盡管已描述了本發(fā)明的實施例，應理解本發(fā)明不應限制為這些實施例， 本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可如所附權(quán)利要求書界定的本發(fā)明精神和范圍之內(nèi)作出變化和修 改。
【權(quán)利要求】
1. 一種八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述八面體單元桁架超彈張力結(jié) 構(gòu)包括： 八面體變幾何桁架，由若干桁架桿連接組成，各所述桁架桿之間通過球關(guān)節(jié)相連，所述 祐1架桿與所述球關(guān)節(jié)接觸形成轉(zhuǎn)動副； 超彈張力線，所述八面體變幾何桁架每個平面內(nèi)的每個球關(guān)節(jié)上均設(shè)置有一根所述超 彈張力線，且同一平面每個球關(guān)節(jié)上設(shè)置的超彈張力線匯聚連接于該平面的中心點上；在 所述超彈張力線的張力作用下，所述各桁架桿與所述球關(guān)節(jié)之間接觸使得所述八面體單元 變幾何桁架組成一整體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述變幾何桁 架包括一個或一個以上的八面體基本單元，且相鄰兩所述八面體基本單元之間共用一面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述八面體基 本單元包括十二根桁架桿與六個球關(guān)節(jié)，每三根所述桁架桿形成所述八面體基本單元表面 上的一個三角形；各所述桁架桿之間通過所述球關(guān)節(jié)相連，且每四根所述桁架桿共用一個 所述球關(guān)節(jié)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述十二根桁 架桿全部為可伸縮桿或部分為可伸縮桿。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述桁架桿 的兩端設(shè)置有球形凸面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述球關(guān)節(jié)上 設(shè)置有四個或六個與所述桁架桿兩端的球形凸面相匹配的球形凹面，所述球形凸面伸進所 述球關(guān)節(jié)的球形凹面內(nèi)形成轉(zhuǎn)動副。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述球形凹面 的球心、頂點和所述球關(guān)節(jié)的球心在同一條直線上，且所述球形凹面的球心、頂點和所述球 關(guān)節(jié)的球心的連線與所述祐 1架桿的軸線同軸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其特征在于，相鄰兩個所述 圓形凹面之間設(shè)置有一掛環(huán)，所述超彈張力線的一端通過所述掛環(huán)連接到所述球關(guān)節(jié)上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述八面體變 幾何桁架上超彈張力線的另一端通過一平面掛鉤匯聚連接。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的八面體單元桁架超彈張力結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述平面掛鉤 具有三個中心對稱呈圓周的分布的開口，所述超彈張力線的另一端連接到所述平面掛鉤的 開口內(nèi)。
【文檔編號】E04B1/19GK104088361SQ201410285442
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】張大旭, 陳務軍, 王浩偉 申請人:上海交通大學