一种热膨胀自适应桁架支撑结构制造技术

本实用新型专利技术公开了一种热膨胀自适应桁架支撑结构，包括内侧胞元层、外侧胞元层及中间胞元层，所述内侧胞元层包括阵列排布且相互连接的内层平面胞元，所述外侧胞元层包括阵列排布且相互连接的外层平面胞元，所述中间胞元层包括设于内侧胞元层与外侧胞元层之间并分别与内侧胞元层和外侧胞元层相连接的中间平面胞元。将平面点阵复合材料组合形成三维结构，进而获得轻量化和高刚度的桁架支撑结构，有效提升航天器装备部件的热变形稳定性。提升航天器装备部件的热变形稳定性。提升航天器装备部件的热变形稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种热膨胀自适应桁架支撑结构


[0001]本技术涉及桁架支撑结构
，尤其涉及一种热膨胀自适应桁架支撑结构。

技术介绍

[0002]机械超材料是通过单元结构控制材料整体性能的设计思路，可以人为获得一些新奇的力学特性，例如负泊松比，负热膨胀，超高强度和超低密度的结合，多稳态以及负刚度等。在一些温度变化很快的环境，热变形对于工程结构稳定性以及精密探测设备的探测精度有极为显著的影响。特别是在精密仪器、航空航天等工程领域中，由于在轨航天器热环境的交替性和复杂性，温度变化引起的热变形会导致结构不能正常运转，有时甚至会出现热疲劳损伤。自然界绝大部分材料在温度升高时会发生几何尺寸增大的现象,即具有正热膨胀系数。而少数一些陶瓷、氧化物、铁电铁磁材料具有反常的低、负膨胀系数。这些固有低或负热膨胀性质的材料在应用方面存在以下问题：材料选择范围十分有限、应用温度受限、材料成本往往很昂贵、导热性能和轻量化程度满足不了航天领域的要求。采用机械超材料的设计思路，则有望通过人工设计常规材料的单元结构，通过对两种具有不同热膨胀系数的材料进行复合，利用二者之间的热变形失配引起结构内部非协调变形，在保证轻量化和高刚度要求的前提下，进一步提升航天器装备部件的热变形稳定性，最终实现结构等效热膨胀系数由正到负的调控。从根本上解决这一工程难题。
[0003]在目前的研究中，热膨胀系数可调控的桁架结构分为弯曲主导型和拉伸主导型两种。弯曲主导型的结构由于存在连接界面，且变形过程中弯曲应力过大，使得结构整体的强度较低；拉伸主导型的结构常见的有三角形热膨胀可调控的桁架支撑结构，例如中国专利技术专利申请CN202110285505.7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。
[0004]然而上述航天用离散式装配的零膨胀桁架结构在受到温度载荷时整体高度未发生变化，而横向尺寸变大，因此仅能实现高度方向的零膨胀功能，无法实现径向方向上的零膨胀功能，对一些需要安装在零膨胀桁架结构侧部的光学遥感系统、摄像系统、天线等的定位或聚焦器件，当温度载荷引起径向方向上的热胀冷缩时会导致器件定位或聚焦发生偏差，从而导致上述航天用离散式装配的零膨胀桁架结构在实际工程应用中受到其维度的限制。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，有必要提供一种热膨胀自适应桁架支撑结构，以解决现有技术中航天用离散式装配的零膨胀桁架结构仅能实现高度方向的零膨胀功能，无法实现径向方向上的零膨胀功能，导致其在实际工程应用中受到其维度限制的技术问题。
[0006]为达到上述技术目的，本技术的技术方案提供一种热膨胀自适应桁架支撑结构,包括内侧胞元层、外侧胞元层及中间胞元层，所述内侧胞元层包括阵列排布且相互连接的内层平面胞元，所述内层平面胞元为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，所述外侧胞元层包括阵列排布且相互连接的外层平面胞元，所述外层平面胞元为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，所述中间胞元层包括设于内侧胞元层与外侧胞元层之间并分别与内侧胞元层和外侧胞元层相连接的中间平面胞元，所述中间平面胞元为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，供内侧胞元层与外侧胞元层之间的间距受到温度载荷时保持不变。
[0007]在其中一个实施例中，所述内层平面胞元为内层三角形胞元，所述内层三角形胞元由两组第一斜杆与一组第一底杆连接而成，所述第一斜杆与第一底杆的热膨胀系数不同。
[0008]在其中一个实施例中，所述外层平面胞元为外层三角形胞元，所述外层三角形胞元由两组第二斜杆与一组第二底杆连接而成，所述第二斜杆与第二底杆的热膨胀系数不同。
[0009]在其中一个实施例中，所述中间平面胞元为中间三角形胞元，所述中间三角形胞元由两组第三斜杆与一组第三底杆连接而成，所述第三斜杆与第三底杆的热膨胀系数不同。
[0010]在其中一个实施例中，所述内层三角形胞元至少由两层组成，每层由依次交替上下颠倒排布且相连接的多组内层三角形胞元组成，每层中相邻的内层三角形胞元共用一条第一斜杆，相邻层的内层三角形胞元上下颠倒相对并相互连接，相邻层中第一底杆相对的内层三角形胞元共用一条第一底杆。
[0011]在其中一个实施例中，所述外层三角形胞元至少由两层组成，每层由依次交替上下颠倒排布且相连接的多组外层三角形胞元组成，每层中相邻的外层三角形胞元共用一条第二斜杆，相邻层的外层三角形胞元上下颠倒相对并相互连接，相邻层中第二底杆相对的外层三角形胞元共用一条第二底杆。
[0012]在其中一个实施例中，所述中间三角形胞元至少由两层组成，每层由依次交替上下颠倒排布且相连接的多组中间三角形胞元组成，每层中相邻的中间三角形胞元共用一条第三斜杆，且中间三角形胞元的第三底杆分别与内层三角形胞元和外层三角形胞元共用第一底杆和第二底杆。
[0013]在其中一个实施例中，所述内侧胞元层与中间胞元层相互垂直，所述外侧胞元层与中间胞元层倾斜设置。
[0014]在其中一个实施例中，所述内层三角形胞元和外层三角形胞元均为等边三角形，所述中间三角形胞元为等腰三角形。
[0015]在其中一个实施例中，所述第一斜杆、第二斜杆及第三斜杆为因瓦合金材质，所述第一底杆、第二底杆及第三底杆为铝合金材质。
[0016]与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：
[0017]本技术的热膨胀自适应桁架支撑结构通过在内侧胞元层与外侧胞元层之间设置中间胞元层，由于内层平面胞元和外层平面胞元均为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，热应力产生的变形与热膨胀产生的变形相互抵消，使结构整体在高度方向上保持零膨胀。同时通过中间胞元层分别与内侧胞元层和外侧胞元层相连接，且中间平面胞元为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，由于中间胞元层的存在，在温度载荷下多材料热膨胀系数的不同所产生的热应力使结构发生变形，抵消材料由于本身热膨胀产生的变形，结构整体在水平方向上保持零膨胀的效果。从而使得本技术的热膨胀自适应桁架支撑结构在受到温度载荷时，内侧胞元层与外侧胞元层之间的间距能够保持不变，即能够实现径向方向上的零膨胀功能，将平面点阵复合材料组合形成三维结构，进而获得轻量化和高刚度的桁架支撑结构，有效提升航天器装备部件的热变形稳定性，满足卫星天线等支撑结构对高热稳定性的苛刻要求。
附图说明
[0018]图1为热膨胀自适应桁架支撑结构的示意图；
[0019]图2为热膨胀自适应桁架支撑结构的俯视图；
[0020本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热膨胀自适应桁架支撑结构，其特征在于，包括内侧胞元层、外侧胞元层及中间胞元层，所述内侧胞元层包括阵列排布且相互连接的内层平面胞元，所述内层平面胞元为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，所述外侧胞元层包括阵列排布且相互连接的外层平面胞元，所述外层平面胞元为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，所述中间胞元层包括设于内侧胞元层与外侧胞元层之间并分别与内侧胞元层和外侧胞元层相连接的中间平面胞元，所述中间平面胞元为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，供内侧胞元层与外侧胞元层之间的间距受到温度载荷时保持不变。2.根据权利要求1所述的一种热膨胀自适应桁架支撑结构，其特征在于，所述内层平面胞元为内层三角形胞元，所述内层三角形胞元由两组第一斜杆与一组第一底杆连接而成，所述第一斜杆与第一底杆的热膨胀系数不同。3.根据权利要求2所述的一种热膨胀自适应桁架支撑结构，其特征在于，所述外层平面胞元为外层三角形胞元，所述外层三角形胞元由两组第二斜杆与一组第二底杆连接而成，所述第二斜杆与第二底杆的热膨胀系数不同。4.根据权利要求3所述的一种热膨胀自适应桁架支撑结构，其特征在于，所述中间平面胞元为中间三角形胞元，所述中间三角形胞元由两组第三斜杆与一组第三底杆连接而成，所述第三斜杆与第三底杆的热膨胀系数不同。5.根据权利要求4所述的一种热膨胀自适应桁架支撑结构，其特征在于，所述内层三角形胞元至少由两层组成，每层...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘加一，刘海涛，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：