一种三角截面弧形复合材料桁架及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三角截面弧形复合材料桁架，由相互平行的外弦杆、第一内弦杆和第二内弦杆通过三角截面腹杆组件连接并形成弧形立体结构，相邻的三角截面腹杆组件之间的外弦杆、第一内弦杆和第二内弦均分别对角设置有第一外斜腹杆、第二外斜腹杆和内斜腹杆，并均与四通接头固定连接，且各杆件为碳纤维复合材料；本发明专利技术还公开了一种三角截面弧形复合材料桁架的制备方法。本发明专利技术通过三角截面腹杆组件连接并形成带曲率的大弧度复合材料桁架结构，且尺寸精度高，载荷性能好，桁架结构实现超轻质化，实现了大型复合材料管桁架模块化连接；本发明专利技术采用自加热模具进行制备，无需进出固化设备，提高了圆弧杆件的质量稳定性和尺寸精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种三角截面弧形复合材料桁架及其制备方法
本专利技术属于复合材料结构
，具体涉及一种三角截面弧形复合材料桁架及其制备方法。
技术介绍
桁架结构的主体由桁架杆件和桁架接头连接而成，主要依靠将载荷作用力协调分布在各杆件上来减轻构件的重量，通过优化设计，这类结构可设计成拉伸主导型的力学应力状态，可获得相同载荷下的最小重量指数。碳纤维复合材料具有比重小、比强度和比模量高、耐湿性能、耐疲劳性能和耐磨性好等综合优异特点，同时碳纤维复合材料又具有很好的可设计性能等，用高性能碳纤维复合材料构件代替以往桁架结构中的铝合金、钛合金等金属材料，研制的空间桁架结构具有比刚度和比强度高、热稳定性好等优异性能，同时具有结构简单，载荷分配合理，易于安装和拆卸、结构便于扩展的特点。桁架结构和碳纤维复合材料具有诸多优势，使用碳纤维复合材料桁架结构已成为未来大型空间飞行器支撑结构的重要发展趋势之一。现代飞艇中，三角截面桁架作为飞艇基本结构形式仍然很常见。其特点一是要求结构轻量化，二是其大部分形式为弧形曲面流线结构。D.K.Darooka、D.W.Jensen著作“Advancedspacestructureconceptsandtheirdevelopment”(CollectionofTechnicalapers-AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures,StructuralDynamicsandMaterialsConference,v1,p562-571,2001)中披露了一种IsoTrussTM结构，通过纵杆连续，螺旋斜杆构成等边三角形，从概念上可以构成非常优异力学性能直线桁架，但是构型非常复杂，需要整体缠绕成型，同时无法成型弧形曲线复合材料桁架结构。中国专利文献CN101418627A公开了一种超轻质全复合材料桁架及其制备方法，该复合材料包括三根以上轴向复合材料杆以及若干组成环向肋条和螺旋向交叉肋条，其制备方法依次通过固定芯模、缠绕芯模、绑束、加热、固化、脱模后形成全复合材料桁架，但该桁架为直线型桁架结构，不适合浮空器等曲面形式骨架结构，同时制备过程复杂，成型效率偏低，几何精度不够。熊波的《三角截面狭长构型复合材料桁架承载性能分析》(哈尔滨工业大学学位论文，2012)研制了一种规格为长3m、节长0.5m、等边三角形边长0.26m的三角截面狭长构型复合材料桁架结构，并对其承载性能进行了分析。该结构采用三面顺螺旋腹杆、5通和6通相贯节点方案进行分析，但由于其肢管重叠部分多，制作难实现，因此，仅采用DragonPlate节点拼接了1.5m桁架，进行了承载试验研究。同时该桁架结构为直线型形式，不适合浮空器等曲面形式骨架结构，该桁架接头采用薄壳胶结，外层进行纤维缠绕，最后再采用模具加压固化成型，成型工艺复杂，效率低下。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种三角截面弧形复合材料桁架。该桁架通过相互平行的外弦杆、第一内弦杆和第二内弦杆通过均匀设置的三角截面腹杆组件沿同一方向连接并形成带曲率的大弧度复合材料桁架结构，尺寸精度高，载荷性能好，且桁架结构超轻质化，经拼接得到具有弧形曲面结构或环向结构的主体桁架，实现了大型复合材料管桁架模块化连接，适宜应用于航空、航天飞行器的结构件。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种三角截面弧形复合材料桁架，其特征在于，包括相互平行的外弦杆、第一内弦杆和第二内弦杆，所述外弦杆、第一内弦杆和第二内弦杆通过均匀设置的三角截面腹杆组件沿同一方向连接并形成弧形立体结构，所述三角截面腹杆组件由3个腹杆通过3个四通接头两两连接而成，相邻的三角截面腹杆组件之间的外弦杆与第一内弦杆均对角设置有第一外斜腹杆，且相邻的第一外斜腹杆交错设置，相邻的三角截面腹杆组件之间的外弦杆与第二内弦杆均对角设置有第二外斜腹杆，且相邻的第二外斜腹杆的设置方向相反，相邻的三角截面腹杆组件之间的第一内弦杆与第二内弦杆均对角设置有内斜腹杆，且相邻的内斜腹杆交错设置，相邻的三角截面腹杆组件形成的单元结构中第一外斜腹杆、第二外斜腹杆与内斜腹杆呈两两交错设置，且第一外斜腹杆、第二外斜腹杆与内斜腹杆均通过固定组件与四通接头固定连接，所述外弦杆、第一内弦杆、第二内弦杆、三角截面腹杆组件、第一外斜腹杆和第二外斜腹杆均采用碳纤维复合材料。上述的一种三角截面弧形复合材料桁架，其特征在于，所述四通接头包括本体和设置在本体两端且在同一平面上的第一接头和第二接头，以及对称设置在本体下部两侧的第三接头和第四接头。上述的一种三角截面弧形复合材料桁架，其特征在于，所述第一接头和第二接头的外侧面上均设置有支耳，所述支耳上开设有连接孔。上述的一种三角截面弧形复合材料桁架，其特征在于，所述第一外斜腹杆、第二外斜腹杆与内斜腹杆的结构相同，均包括杆体，所述杆体的两端均设置有内插接头，所述内插接头上对称开设有配合孔，所述配合孔之间的内插接头上还开设有对称的卡槽。上述的一种三角截面弧形复合材料桁架，其特征在于，所述四通接头的本体外表面上设置有加强壁。上述的一种三角截面弧形复合材料桁架，其特征在于，所述三角截面腹杆组件中的3个腹杆均由内插管和套设在内插管外表面的加强套管组成，且内插管的两端分别与四通接头连接。上述的一种三角截面弧形复合材料桁架，其特征在于，所述三角截面腹杆组件为整体等边三角形结构。另外，本专利技术还提供了一种制备如权利要求1～权利要求7中任一权利要求所述的三角截面弧形复合材料桁架的方法，其特征在于，所述三角截面弧形复合材料桁架中外弦杆、第一内弦杆和第二内弦杆的制备方法为：在保丽龙泡沫内模的表面包覆尼龙气袋形成软式内模具，然后将环氧树脂高强碳纤维预浸料按设计铺层结构平整地铺设在软式内模具表面形成预制体，然后将预制体放置在外模具下模腔体内，并合上并紧固上模，充压至0.8MPa～1.1MPa后加热保温保压进行固化成型，冷却后脱模。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术通过相互平行的外弦杆、第一内弦杆和第二内弦杆通过均匀设置的三角截面腹杆组件沿同一方向连接并形成弧形立体结构，使得三角截面弧形复合材料桁架具有一定的圆弧中心夹角，经拼接得到具有弧形曲面结构或环向结构的主体桁架，实现了大型复合材料管桁架模块化连接，适宜应用于航空、航天飞行器的结构件。2、本专利技术三角截面腹杆组件中的第一外斜腹杆、第二外斜腹杆和内斜腹杆通过四通接头形成整体结构，无需金属连接件，连接截面大，整体结构刚性高，且三角截面腹杆组件在固定工装上成型，提高了桁架的几何尺寸精度，提高了桁架的整体承载效率。3、本专利技术桁架中的第一外斜腹杆、第二外斜腹杆与内斜腹杆的两端均设置有内插接头，均采用插入式铰接的方式与四通接头连接，结合轴向粘接，有效减小了铰接孔对杆体的强度影响，改善了连接处的刚性，避免了拉伸变形，增加了拉伸承载。4、本专利技术三角截面弧形复合材料桁架中的主体结构如杆件、四通接头等全部采用碳纤维复合材料替代常用的铝合金材料，有效减轻了桁架的重量，且提高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三角截面弧形复合材料桁架，其特征在于，包括相互平行的外弦杆(1)、第一内弦杆(2-1)和第二内弦杆(2-2)，所述外弦杆(1)、第一内弦杆(2-1)和第二内弦杆(2-2)通过均匀设置的三角截面腹杆组件(3)沿同一方向连接并形成弧形立体结构，所述三角截面腹杆组件(3)由3个腹杆通过3个四通接头(3-1)两两连接而成，相邻的三角截面腹杆组件(3)之间的外弦杆(1)与第一内弦杆(2-1)均对角设置有第一外斜腹杆(4-1)，且相邻的第一外斜腹杆(4-1)交错设置，相邻的三角截面腹杆组件(3)之间的外弦杆(1)与第二内弦杆(2-2)均对角设置有第二外斜腹杆(4-2)，且相邻的第二外斜腹杆(4-2)的设置方向相反，相邻的三角截面腹杆组件(3)之间的第一内弦杆(2-1)与第二内弦杆(2-2)均对角设置有内斜腹杆(4-3)，且相邻的内斜腹杆(4-3)交错设置，相邻的三角截面腹杆组件(3)形成的单元结构中第一外斜腹杆(4-1)、第二外斜腹杆(4-2)与内斜腹杆(4-3)呈两两交错设置，且第一外斜腹杆(4-1)、第二外斜腹杆(4-2)与内斜腹杆(4-3)均通过固定组件(5)与四通接头(3-1)固定连接，所述外弦杆(1)、第一内弦杆(2-1)、第二内弦杆(2-2)、三角截面腹杆组件(3)、第一外斜腹杆(4-1)和第二外斜腹杆(4-2)均采用碳纤维复合材料。/n...

【技术特征摘要】
1.一种三角截面弧形复合材料桁架，其特征在于，包括相互平行的外弦杆(1)、第一内弦杆(2-1)和第二内弦杆(2-2)，所述外弦杆(1)、第一内弦杆(2-1)和第二内弦杆(2-2)通过均匀设置的三角截面腹杆组件(3)沿同一方向连接并形成弧形立体结构，所述三角截面腹杆组件(3)由3个腹杆通过3个四通接头(3-1)两两连接而成，相邻的三角截面腹杆组件(3)之间的外弦杆(1)与第一内弦杆(2-1)均对角设置有第一外斜腹杆(4-1)，且相邻的第一外斜腹杆(4-1)交错设置，相邻的三角截面腹杆组件(3)之间的外弦杆(1)与第二内弦杆(2-2)均对角设置有第二外斜腹杆(4-2)，且相邻的第二外斜腹杆(4-2)的设置方向相反，相邻的三角截面腹杆组件(3)之间的第一内弦杆(2-1)与第二内弦杆(2-2)均对角设置有内斜腹杆(4-3)，且相邻的内斜腹杆(4-3)交错设置，相邻的三角截面腹杆组件(3)形成的单元结构中第一外斜腹杆(4-1)、第二外斜腹杆(4-2)与内斜腹杆(4-3)呈两两交错设置，且第一外斜腹杆(4-1)、第二外斜腹杆(4-2)与内斜腹杆(4-3)均通过固定组件(5)与四通接头(3-1)固定连接，所述外弦杆(1)、第一内弦杆(2-1)、第二内弦杆(2-2)、三角截面腹杆组件(3)、第一外斜腹杆(4-1)和第二外斜腹杆(4-2)均采用碳纤维复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种三角截面弧形复合材料桁架，其特征在于，所述四通接头(3-1)包括本体和设置在本体两端且在同一平面上的第一接头(3-1-1)和第二接头(3-1-2)，以及对称设置在本体下部两侧的第三接头(3-1-3)和第四接头(3-1-4)。


3.根据权利要求1所述的一种三角截面弧形复合材料桁架，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王增加，王希杰，李静，孔娜，师慧，陈庄，宁蒙川，李博，
申请(专利权)人：西安康本材料有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61