一种模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构制造技术

本发明专利技术涉及一种张拉整体结构与可展结构技术领域，特别涉及一种可模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构。本发明专利技术模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构包括外环张拉整体单元、内环张拉整体单元和连接组件，所述连接组件将外环张拉整体单元和内环张拉整体单元连接形成具有抛物面且曲率可调的嵌套式环形张拉整体结构。外环张拉整体单元、内环张拉整体单元具有相同的拓扑结构，中心位置相同，同类构件的长度成一定比列关系。本发明专利技术通过模块化拼接的方式，提供一种带有抛物面、曲面曲率可调的、构型独特的新型环形张拉整体结构，丰富了环形张拉整体结构的连接形式。本发明专利技术可应用于天线结构、太空发电站能量转换结构等环形框架结构，应用广泛，实用性强。实用性强。实用性强。

【技术实现步骤摘要】
一种模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构


[0001]本专利技术涉及一种张拉整体结构与可展结构
，特别涉及一种可模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构。

技术介绍

[0002]张拉整体结构是一些离散的受压构件包含于一组连续的受拉构件中形成的稳定自平衡结构。张拉整体结构的刚度由材料刚度和几何刚度构成，预应力的大小影响几何刚度的水平。张拉整体结构的自稳定自平衡取决于其拓扑结构、节点位置和预应力分布。张拉整体结构由于轻质、可调整性强、高效等优点，受到学术和工程界的广泛关注。
[0003]张拉整体结构于20世纪40年代末由美国著建筑设计师富勒提出。张拉整体结构形式多样，有棱柱型、圆台型、之字形、平板型、星型、圆环形等，经过70多年的发展，张拉整体结构在艺术领域、建筑领域、航空航天领域、生物学领域等领域得到充分的发展和应用。
[0004]张拉整体结构的设计方法，通常可分为基于几何特征、“找形”、模块化拼接三种。基于几何特征的结构设计方法，主要是在张拉整体结构发展早期，由建筑学家富勒、莫特罗等基于结构的几何特征提出的，如正n棱柱形张拉整体。“找形”方法，是指基于结构的力学特性，通过优化结构的几何特征如杆长或结构的拓扑结构，找到使得结构处于稳定平衡状态的几何形状，主要方法有：力密度法、平衡矩阵奇异值分解法、动力松弛法等。模块化拼接的方法，是以相同的或不同的张拉整体单元为基本的单元结构，通过增减索或杆的方式，将基本单元结构按一定的方式连接形成新的张拉整体结构。模块化拼接的方法，主要分为轴向拼接和横向拼接。剑桥学者TibertG在其发表的论文Deployabletensegritystructuresforspaceapplications[M].RoyalInstituteofTechnology,2002.提出了一种基于轴向拼接方法的多层棱柱形张拉整体结构。国内学者张幸锵在其论文张幸锵,袁行飞.新型三棱柱张拉整体平板结构研究[J].建筑结构,2011,41(03):24
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27+77.DOI:10.19701/j.jzjg.2011.03.006.中提出了一种基于横向拼接的平板型张拉整体结构。本专利采用的结构设计方法是模块化拼接的方法，结构类型是嵌套式。
[0005]圆环形张拉整体结构由于其轻质、可折展、结构对称等特点，在航空航天领域常被用作天线的结构设计。公开号为CN111997198A的专利公开了一种可折展的环形张拉整体结构，当结构处于折叠状态时，体积较小便于运输；在外力驱动下，结构逐步展开至工作状态并锁定为稳态。公开号为CN106522368A的专利公开了一种单体间存在重叠率的圆环形张拉整体结构，结构由m个单体首尾相连环向组合而成，具有环向对称性。
[0006]目前环形张拉整体结构类型仍然较少，结构也比较复杂且缺乏带有抛物面的构型。因此，设计出一种构型简单的新型环形张拉整体结构，是一件富有意义的工作。

技术实现思路

[0007]本专利技术为克服上述
技术介绍
存在的至少一种缺陷(不足)，提出一种通过模块化拼接的方式，公开了一种带有抛物面的、构型简单、轻质的新型环形张拉整体结构。本专利技术提
出的可模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构丰富了环形张拉整体结构的连接形式。
[0008]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0009]本专利技术提供一种模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构，其包括外环张拉整体单元、内环张拉整体单元和连接组件，所述连接组件将外环张拉整体单元和内环张拉整体单元连接形成具有抛物面曲率可调的嵌套式环形张拉整体结构。
[0010]进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的外环张拉整体单元、内环张拉整体单元具有相同的拓扑结构，中心位置相同，同类构件的长度成一定比列关系。
[0011]进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的外环张拉整体单元或内环张拉整体单元均包括4n个节点、2n根杆件、4n根横索、2n根竖索、2n根斜索；具体如下：
[0012]4n个节点分为Ⅰ类节点、Ⅱ类节点、Ⅲ类节点和Ⅳ类节点，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类节点各有 n个，逆时针均匀分布在半径为d1,d2,d3和d4的圆周上，其中d1＝d4，d2＝d3，编号分别为 1，2，3
…
n、n+1，n+2，
…
2n、2n+1，2n+2，
…
3n、3n+1，3n+2，
…
4n和 4n+1，4n+2，
…
5n、5n+1，5n+2，
…
6n、6n+1，6n+2，
…
7n、7n+1，7n+2，
…
8n；
[0013]Ⅰ类节点和Ⅱ类节点位于下平面、Ⅲ类节点和Ⅳ类节点位于上平面，同类节点中，节点 i和节点i+1(i＝1，2
…
n
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1)及圆心构成的圆周角为θ，θ＝2π/n；
[0014]Ⅰ类节点和Ⅱ类节点或Ⅲ类节点和Ⅳ类节点中，节点i和节点i+n及圆心构成的圆周角为β，β＝π/n；
[0015]Ⅰ类节点和Ⅳ类节点或Ⅱ类节点和Ⅲ类节点中，节点i和节点i+2n构成的圆周角为扭转角σ。
[0016]进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的连接组件包括4n根连接索、 4n个固定节点、2n根固定杆和4n根固定索，所述连接索通过连接外环张拉整体单元、内环张拉整体单元对应节点形成，连接索的中心位置为固定节点，逆时针编号为 8n+1，8n+2
…
12n，连接左右相邻的固定节点形成固定索，连接上下相邻的固定节点形成固定杆。
[0017]进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的外环张拉整体单元的杆件、横索、斜索、竖索根据长度分为长杆件、短杆件、长横索、短横索、长斜索、短斜索、长竖索、短竖索，相同类型构件长度和预应力分布相同。内环张拉整体单元结构与外环张拉整体单元相同。
[0018]进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构是通过改变外环张拉整体单元和内环张拉整体单元同类构件长度的比列系数，调整所述嵌套式环形张拉整体结构的抛物面曲率。
[0019]进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的外环张拉整体单元或内环张拉整体单元的所有杆件都只受压力，所有的索件都只受拉力，构件中存在预应力，整体结构处于自稳定自平衡状态。
[0020]进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的外环张拉整体单元拓扑连接方式为：
[0021]杆件的连接矩阵为：[1:n,2n+1:3n；3n+1:4n,n+2:2n,n+1]；
[0022]横索的连接矩阵为：[1:n,1:n,2n+1:3n,2n+1:3n；n+1:2n,2:n,1,3n+1:4n,2n+2:3n,2n+1]；
[0023]竖索的连接矩阵为：[1:n,n+1:2n；4n,3n+1:4n
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1,2n+1:3n]；
[0024]斜索的连接矩阵为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构，其特征在于：包括外环张拉整体单元、内环张拉整体单元和连接组件，所述连接组件将外环张拉整体单元和内环张拉整体单元连接形成具有抛物面曲率可调的嵌套式环形张拉整体结构。2.根据权利要求1所述的模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构，其特征在于：外环张拉整体单元、内环张拉整体单元具有相同的拓扑结构，中心位置相同，同类构件的长度成一定比列关系。3.根据权利要求2所述的模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构，其特征在于：所述外环张拉整体单元或内环张拉整体单元包括4n个节点、2n根杆件、4n根横索、2n根竖索、2n根斜索；4n个节点分为Ⅰ类节点、Ⅱ类节点、Ⅲ类节点和Ⅳ类节点，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类节点各有n个，逆时针均匀分布在半径为d1,d2,d3和d4的圆周上，其中d1＝d4，d2＝d3；Ⅰ类节点和Ⅱ类节点位于下平面、Ⅲ类节点和Ⅳ类节点位于上平面，同类节点中，节点i和节点i+1(i＝1，2...n
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1)及圆心构成的圆周角为θ，θ＝2π/n；Ⅰ类节点和Ⅱ类节点或Ⅲ类节点和Ⅳ类节点中，节点i和节点i+n及圆心构成的圆周角为β，β＝π/n；Ⅰ类节点和Ⅳ类节点或Ⅱ类节点和Ⅲ类节点中，节点i和节点i+2n构成的圆周角为扭转角σ。4.根据权利要求3所述的模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构，其特征在于：所述连接组件包括4n根连接索、4n个固定节点、2n根固定杆和4n根固定索，所述连接索通过连接外环张拉整体单元或内环张拉整体单元对应节点形成，连接索的中心位置为固定节点，逆时针编号为8n+1，8n+2...12n，连接左右相邻的固定节点形成固定索，连接上下相邻的固定节点形成固定杆。5.根据权利要求3所述的模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构，其特征在于：所述外环张拉整体单元或内环张拉整体单元的杆件、横索、斜索、竖索根据长度分为长杆件、短杆件、长横索、短横索、长斜索、短斜索、长竖索、短竖索，相同类型构件长度和预应力分布相同。6.根据权利要求3所述的模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兴，叶德馨，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：