一种八面体单元桁架超弹张力结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种八面体单元桁架超弹张力结构，由八面体变几何桁架和超弹张力线组成。八面体变几何桁架由一个或多个八面体基本单元构成，每个八面体基本单元由十二根等长的桁架伸缩杆和六个球关节组成，相邻两个八面体基本单元共用一面，八面体基本单元表面的每个三角形的三个球关节用三根超弹张力线相连，三根超弹张力线汇聚于三角形的中心点，并由一平面挂钩连接。超弹张力线使每个八面体基本单元处于压紧状态，桁架杆只出现压力而不出现拉力。本发明提供的一种八面体单元桁架超弹张力结构，构造简单，加工方便，张紧装置易于安装，节点尺寸较小，力传递路径明确，可用于建筑、桥梁、航天等领域的变几何桁架结构中。
【专利说明】一种八面体单元桁架超弹张力结构
【技术领域】
[0001] 本发明涉及新材料结构【技术领域】，尤其涉及一种可应用于航天、建筑、桥梁工程等 领域的八面体单元桁架超弹张力结构。
[0002]
【背景技术】
[0003] 变几何桁架是一种较新的航天结构形式，可用于航天器操控臂或空间吊车臂的承 载结构。与传统的机械臂相比，变几何桁架伸展臂具有运动灵活、质量小、刚度大及收纳率 1?等优点。
[0004] 正多面体是构成变几何桁架的基本单元，而正八面体是变几何桁架最多采用的单 元形式，因为正八面体所构成的空间桁架单元为恰静定体系，无内部机构数，也无超静定 数。但实际工程中，八面体的每个杆件既可能受轴向压缩，也可能受轴向拉伸，因此需要节 点既能够承受一定压力，也能够承受一定拉力。这一要求使得节点设计难度非常大，节点构 造复杂，节点尺寸大，从而增加了桁架的自身重量。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明公开了 一种八面体单元桁架超弹张力结构，解决了八面体单元变几何桁架 节点构造复杂，节点尺寸大的问题，进而减小了祐1架的自身重量。
[0007] 本发明提供了一种八面体单元桁架超弹张力结构，其特征在于，所述八面体单元 桁架超弹张力结构包括： 八面体变几何桁架，由若干桁架杆连接组成，各所述桁架杆之间通过球关节相连，所述 祐1架杆与所述球关节接触形成转动副； 超弹张力线，所述八面体变几何桁架每个平面内的每个球关节上均设置有一根所述超 弹张力线，且同一平面每个球关节上设置的超弹张力线汇聚连接于该平面的中心点上；在 所述超弹张力线的张力作用下，所述各桁架杆与所述球关节之间接触使得所述八面体单元 变几何桁架组成一整体。
[0008] 较佳地，所述变几何祐1架包括一个或一个以上的八面体基本单元,且相邻两所述 八面体基本单元之间共用一面。
[0009] 较佳地，所述八面体基本单元包括十二根桁架杆与六个球关节，每三根所述桁架 杆形成所述八面体基本单元表面上的一个三角形；各所述桁架杆之间通过所述球关节相 连，且每四根所述桁架杆共用一个所述球关节。
[0010] 较佳地，所述十二根桁架杆全部为可伸缩杆或部分为可伸缩杆。
[0011] 较佳地，所述桁架杆的两端设置有球形凸面。
[0012] 较佳地，所述球关节上设置有四个或六个与所述桁架杆两端的球形凸面相匹配的 球形凹面，所述球形凸面伸进所述球关节的球形凹面内形成转动副。
[0013] 较佳地，所述球形凹面的球心、顶点和所述球关节的球心在同一条直线上，且所述 球形凹面的球心、顶点和所述球关节的球心的连线与所述桁架杆的轴线同轴。
[0014] 较佳地，相邻两个所述圆形凹面之间设置有一挂环，所述超弹张力线的一端通过 所述挂环连接到所述球关节上。
[0015] 较佳地，所述八面体变几何桁架上超弹张力线的另一端通过一平面挂钩汇聚连 接。
[0016] 较佳地，所述平面挂钩具有三个中心对称呈圆周的分布的开口，所述超弹张力线 的另一端连接到所述平面挂钩的开口内。
[0017] 本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效 果： 1) 本发明提供的八面体单元桁架超弹张力结构，包括若干八面体基本单元，可随意组 合，构成多种复杂形式的八面体桁架结构，单元扩展性好，满足航天、建筑及桥梁设计等领 域的需求； 2) 本发明提供的八面体单元桁架超弹张力结构，其中每个八面体基本单元由桁架杆和 球关节组成，桁架杆与球关节之间接触连接形成转动副，再通过超弹张力线的张力作用实 现整体压紧连接，保证了球关节始终处于受压状态，桁架杆也处于始终受压状态，从而使得 节点形式设计容易，构造简单，球关节节点与桁架杆连接方便，力传递路径明确； 3) 本发明中桁架杆采用伸缩杆，通过控制各个桁架伸缩杆的长度可以使八面体基本单 元变化出需要的构型，进而是整体结构具备变几何的特性，应用各种桁架形式变化结构； 4) 本发明中球关节的尺寸小、自身重量轻、材料用料少； 5) 本发明采用超弹张力线将八面体基本单元表面的每个三角形压紧，使八面体结构紧 凑，受环境影响小。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和 优点，其中： 图1为本发明提供的八面体单元桁架超弹张力结构的立体示意图； 图2为本发明提供的八面体单元桁架超弹张力结构的正视图； 图3为本发明提供的八面体单元桁架超弹张力结构的俯视图； 图4为本发明中桁架杆的结构示意图； 图5为本发明中平面挂钩和超弹张力线的示意图； 图6为本发明中球关节示意图一； 图7为本发明中球关节示意图二； 图8为本发明超弹张力线、桁架杆与球关节连接的结构示意图。
[0019] 符号说明： a_八面体基本单元 1-球关节 2_桁架杆 3_球关节 4- 超弹张力线 5- 平面挂钩 6、7_球形凸面 8_球形凹面 9-挂环。
[0020]
【具体实施方式】
[0021] 参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以 许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是 为了达成充分及完整公开，并且使本【技术领域】的技术人员完全了解本发明的范围。这些附 图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。
[0022] 现参考附图1-8,详细描述本发明提供的一种八面体单元桁架超弹张力结构，该八 面体单元桁架超弹张力结构由一个或多个八面体基本单元a构成，相邻两八面体基本单元 共用一面。其中，八面体基本单元a为由若干桁架杆2和球关节1组成的结构，八面体基本 单元a上还设置有用于将桁架杆2与球关节1压紧的超弹张力线4。以下就八面体单元桁 架超弹张力结构由两个八面体基本单元a的实施例，进行详细介绍。当然以上只是一种实 施例，具体实施过程中八面体基本单元a的个数以及组合方式均可根据具体情况来设计， 此处不作限制。
[0023] 具体的，每个八面体基本单元a包括十二根等长的桁架杆2和六个球关节1，每三 根桁架杆2形成八面体基本单元a表面的一个三角形，各桁架杆2之间通过球关节3相连， 且每四根桁架杆2共用一球关节1，从而十二根等长的桁架杆2和六个球关节3组成了八 面体基本单元的八个面和六个顶点。相邻的两八面体基本单元共用三个桁架杆2,如图1-2 中所示，上下两八面体基本单元共用了三根桁架杆2,且同时六根桁架杆2共用一球关节1。
[0024] 在本实施例中，如图4所示，桁架杆2呈直线形圆杆状，其两端分别设置有球形凸 面6、7 ;若干桁架杆中部分为可伸缩杆或全部为可伸缩杆，可以伸长或缩回到原长，并可将 桁架杆2的长度锁定在任意可达到的长度，使八面体基本单元a成为一种变几何桁架，当然 桁架杆2中为拉伸杆的数量不限定，可根据具体情况而定。如图6或7中所示，球关节1上 设置有四个或六个与桁架杆2两端的球形凸面6、7相匹配的球形凹面8,两个两八面体基本 单元a共用的三个球关节1上设置有六个球形凹面8,其余的球关节1上设置有四个球形凹 面8,且球形凹面8的球心、顶点和球关节3的球心在同一条直线上；桁架杆2端部的球形 凸面6、7伸进球形凹面8内，且保证球形凹面8的球心、顶点和球关节1的球心的连线与所 述桁架杆的轴线同轴。如图8所示，桁架杆2两端的球形凸面、7分别插进各球关节3的球 形凹面8内，两者相连形成转动副。
[0025] 在本实施例中，每个八面体基本单元a还包括若干超弹张力线4和平面挂钩5。具 体的，八面体基本单元a每个三角形上的三个球关节1上均连接有一根超弹张力线4,超弹 张力线4具体可以采用橡皮筋等弹性材料或弹簧，此处不作限制；三个球关节1上连接的三 根超弹张力线4以三角形平面中心呈中心对称布置，并通过平面挂钩5汇聚连接于三角形 的中心位置处。其中，如图6-8中所示，球关节1上每两个球形凹面8之间设置有一个挂环 9,每个球关节1上设置有四个或六个挂环9,超弹张力线4的一端连接到挂环9上。如图5 中所述，每个平面挂钩5上具有三个中心对称呈圆周分布的开口，超弹张力线4的另一端连 接到该开口内；平面挂钩5采用以上结构形式是为了方便超弹张力线的安装，当然平面挂 钩的形状并不以此为限，可根据具体情况进行设计。
[0026] 在本实例中，每个八面体基本单元a上设置有24根超弹张力线4和八个平面挂钩 3, 24根超弹张力线4将八面体基本单元a表面的每个三角形压紧，且使得超弹张力线4在 八面体基本单元最小状态下呈现张紧状态，超弹张力线4随着八面体基本单元形状改变而 变化长度，且一直处于弹性变形状态。当然，上述每个八面体基本单元a上设置的超弹张力 线4和平面挂钩3的数目可根据具体情况来调整，比如在球节点1边面各球形凹面8的中 间位置上加设挂环9,从而可在八面体基本单元a的对角线上连接超弹张力线4,从而有利 于加强每个八面体基本单元a整体的紧凑性、压紧力等。
[0027] 本发明提供的八面体单元桁架超弹张力结构内部连接过程以及受力状况如下： 十二根桁架伸缩杆2和六个关节球节点1之间相互组合形成一个八面体基本单元a，两 个八面体基本单元a共用三根桁架杆2和三个球关节节点1组合形成八面体单元变几何桁 架架构。具体的，各桁架杆2两端的球形凸面6和7分别插进各球关节1的凹面8内，并可 以相对转动，因此桁架杆2与球关节1之间只传递压力，而不传递拉力。超弹张力线4将组 成每个三角形的球关节1连在一起，超弹张力线4在任何状态只有拉力而不会有压力，因此 将各个球关节1之间有向内收缩的趋势，球关节1与桁架杆2之间只存在压力而没有拉力。
[0028] 超弹张力线4存在于八面体单元桁架结构的每个三角形所在的平面内，使整个桁 架结构处于张紧内缩的状态，超弹张力线4的拉力传递到球关节节点1，然后均匀的传递到 桁架杆2上，使得桁架杆2 -直处于受压状态，同时保证了八面体单元桁架超弹张力结构的 整体性，因此可以承受一定的载荷。
[0029] 当八面体单元桁架结构的桁架杆2长度发生变化时，该具有伸缩特性的桁架杆2 可以将长度锁定到任意可以达到的长度，从而改变八面体基本单元a的整体形状，满足一 定的整体结构变化要求。此时，超弹张力线4依然处于拉伸状态，张紧力传递路径不发生变 化，八面体桁架结构依旧可以保持稳定，承受一定载荷。
[0030] 本发明提供的一种八面体单元桁架超弹张力结构，采用以上所述的结构设计使得 节点设计容易，构造简单，球关节节点与桁架杆连接方便，力传递路径明确。而且所述球关 节节点的尺寸小、自身重量轻、材料用料少。所述超弹张力线将八面体基本单元表面的每个 三角形张紧，使八面体结构紧凑，受环境影响小。
[0031] 综上所述，本发明提供了一种八面体单元桁架超弹张力结构，由八面体变几何桁 架和超弹张力线组成。八面体变几何桁架由一个或多个八面体基本单元构成，每个八面体 基本单元由十二根等长的桁架伸缩杆和六个球关节组成，相邻两个八面体基本单元共用一 面，八面体基本单元表面的每个三角形的三个球关节用三根超弹张力线相连，三根超弹张 力线汇聚于三角形的中心点，并由一平面挂钩连接。超弹张力线使每个八面体基本单元处 于压紧状态，桁架杆只出现压力而不出现拉力。本发明提供的一种八面体单元桁架超弹张 力结构，构造简单，加工方便，张紧装置易于安装，节点尺寸较小，力传递路径明确，可用于 建筑、桥梁、航天等领域的变几何桁架结构中。
[0032] 本【技术领域】的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本 发明的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例， 本【技术领域】的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修 改。
【权利要求】
1. 一种八面体单元桁架超弹张力结构，其特征在于，所述八面体单元桁架超弹张力结 构包括： 八面体变几何桁架，由若干桁架杆连接组成，各所述桁架杆之间通过球关节相连，所述 祐1架杆与所述球关节接触形成转动副； 超弹张力线，所述八面体变几何桁架每个平面内的每个球关节上均设置有一根所述超 弹张力线，且同一平面每个球关节上设置的超弹张力线汇聚连接于该平面的中心点上；在 所述超弹张力线的张力作用下，所述各桁架杆与所述球关节之间接触使得所述八面体单元 变几何桁架组成一整体。
2. 根据权利要求1所述的八面体单元桁架超弹张力结构，其特征在于，所述变几何桁 架包括一个或一个以上的八面体基本单元，且相邻两所述八面体基本单元之间共用一面。
3. 根据权利要求2所述的八面体单元桁架超弹张力结构，其特征在于，所述八面体基 本单元包括十二根桁架杆与六个球关节，每三根所述桁架杆形成所述八面体基本单元表面 上的一个三角形；各所述桁架杆之间通过所述球关节相连，且每四根所述桁架杆共用一个 所述球关节。
4. 根据权利要求3所述的八面体单元桁架超弹张力结构，其特征在于，所述十二根桁 架杆全部为可伸缩杆或部分为可伸缩杆。
5. 根据权利要求3或4所述的八面体单元桁架超弹张力结构，其特征在于，所述桁架杆 的两端设置有球形凸面。
6. 根据权利要求4所述的八面体单元桁架超弹张力结构，其特征在于，所述球关节上 设置有四个或六个与所述桁架杆两端的球形凸面相匹配的球形凹面，所述球形凸面伸进所 述球关节的球形凹面内形成转动副。
7. 根据权利要求6所述的八面体单元桁架超弹张力结构，其特征在于，所述球形凹面 的球心、顶点和所述球关节的球心在同一条直线上，且所述球形凹面的球心、顶点和所述球 关节的球心的连线与所述祐 1架杆的轴线同轴。
8. 根据权利要求6所述的八面体单元桁架超弹张力结构，其特征在于，相邻两个所述 圆形凹面之间设置有一挂环，所述超弹张力线的一端通过所述挂环连接到所述球关节上。
9. 根据权利要求8所述的八面体单元桁架超弹张力结构，其特征在于，所述八面体变 几何桁架上超弹张力线的另一端通过一平面挂钩汇聚连接。
10. 根据权利要求9所述的八面体单元桁架超弹张力结构，其特征在于，所述平面挂钩 具有三个中心对称呈圆周的分布的开口，所述超弹张力线的另一端连接到所述平面挂钩的 开口内。
【文档编号】E04B1/19GK104088361SQ201410285442
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】张大旭, 陈务军, 王浩伟 申请人:上海交通大学