一种可三维拓展的组合式张拉整体结构的制作方法

本发明涉及张拉结构设计技术领域，特别是指一种可三维拓展的组合式张拉整体结构。

背景技术：

张拉整体结构是一类轻质、网格状的空间结构体系，由预拉伸的绳单元和预压缩的杆单元相互连接而成。在没有任何外部支撑的情况下，靠杆和绳的预应力作用即可保持自身的几何构型，在受到微小保守力扰动时，总是趋向于恢复到初始的自平衡状态。为了获得张拉整体结构，需要对其进行结构设计。以往对于张拉整体结构的研究仅停留在对简单小规模结构的研究，并未对其进行可拓展分析设计，随着实际应用的快速增长，简单的单体结构已不能满足各领域应用需求。为此，本发明公开了一种可三维拓展的组合式张拉整体结构。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种可三维拓展的组合式张拉整体结构。

该结构以截角正八面体状张拉整体结构和四棱柱状张拉整体结构为基本胞元结构，其中，截角正八面体状胞元结构为该结构的铰式连接部件，四棱柱状胞元结构与截角正八面体状胞元结构相配合。

该结构具有完整结构构型，并具有良好的自平衡及稳定性。

截角正八面体状胞元结构可按照截角正八面体的顶点和棱边的连接关系，将结构的节点和绳单元进行连接，接着添加杆单元，从而实现单元拉力和压力的平衡而得到自平衡张拉整体结构。

其中，截角正八面体状胞元结构由24个节点，36根绳单元，24根杆单元组成。

组成截角正八面体状胞元结构的36根绳单元中，12根为残边绳单元，24根为截边绳单元。

残边绳单元为按照被截正八面体的原棱边所连接的绳单元。

截边绳单元为按照正八面体被截后新产生的棱边所连接的绳单元。

杆单元按照连接相邻截角面的方式所布置，每个节点处连接2根杆单元，每对相邻截角面由2根杆单元相连接。

截角正八面体状胞元结构中6个截角面两两相互平行，且相对转角为零，3组截角面均垂直于正八面体体心与对应顶点的连线，且法向量互相垂直。

截角面为正方形，由4根截边绳单元组成。

截角正八面体状胞元结构处于自平衡状态，残边绳单元、截边绳单元和杆单元的力密度比值满足4∶4∶－1。

四棱柱状胞元结构由8个节点，12根绳单元，8根杆单元组成。

组成四棱柱状胞元结构的12根绳单元中，4根为侧边绳单元，8根为端边绳单元。

侧边绳单元为按照四棱柱体的侧面棱边所连接的绳单元。

端边绳单元为按照四棱柱体的端面棱边所连接的绳单元。

杆单元按照连接端面的方式所布置，每个节点处连接2根杆单元。

四棱柱状胞元结构中端面相互平行且相对转角为零。

端面由4根端边绳单元组成。

四棱柱状胞元结构处于自平衡状态，侧边绳单元、端边绳单元和杆单元的力密度比值满足2∶1∶－1。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明具有模块化、操作简单等优点，解决了目前缺乏大型拓展张拉整体结构的问题，为构建空间三维可拓展结构奠定基础。

附图说明

图1为本发明的可三维拓展的组合式张拉整体结构示意图；

图2为本发明的截角正八面体状张拉整体胞元结构示意图；

图3为本发明的四棱柱状张拉整体胞元结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种可三维拓展的组合式张拉整体结构。

如图1所示，本实施例的三维拓展式张拉整体结构是由如图2所示的截角正八面体状张拉整体胞元结构和如图3所示的四棱柱状张拉整体胞元结构进行组合拓展得到的。

为便于拓展张拉整体结构铰式连接的设计，优先地，所述组合式张拉整体结构采用截角正八面体状张拉整体结构作为铰式连接胞元结构。

为便于匹配截角正八面体状张拉整体结构进行组合拓展，优先地，所述结构选择四棱柱状张拉整体结构与之匹配的胞元结构进行搭接拓展。

为便于搭接，所述结构中截角正八面体状胞元结构和四棱柱状胞元结构采用节点连接节点的搭接方式进行组装。

本发明在进行三维拓展张拉整体结构设计时，以截角正八面体状张拉整体结构和四棱柱状张拉整体结构为胞元，对结构进行组合拓展设计。因截角正八面体状胞元结构3组截角面的法向量互相垂直，故用作拓展结构的直角铰接部件，因其截角面为四边形，故选择四棱柱状胞元结构与其匹配，进行组合拓展。

其中，截角正八面体状胞元结构由24个节点，36根绳单元，24根杆单元组成。

组成截角正八面体状胞元结构的36根绳单元中，12根为残边绳单元，24根为截边绳单元。

截角正八面体状胞元结构中6个截角面两两相互平行且相对转角为零，3组截角面均垂直于正八面体体心与对应顶点的连线且法向量互相垂直。

截角正八面体状胞元结构处于自平衡状态，残边绳单元、截边绳单元和杆单元的力密度比值为4∶4∶－1。

四棱柱状胞元结构由8个节点，12根绳单元，8根杆单元组成。

组成四棱柱状胞元结构的12根绳单元中，4根为侧边绳单元，8根为端边绳单元。

四棱柱状胞元结构中端面相互平行且相对转角为零。

四棱柱状胞元结构处于自平衡状态，侧边绳单元、端边绳单元和杆单元的力密度比值为2∶1∶－1。

本发明提供了一种以截角正八面体状胞元结构和四棱柱状胞元结构进行组合而得到大规模张拉整体结构的设计方案，解决了目前缺乏可三维拓展的大型空间张拉整体结构的问题。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，比如胞元之间采用节点连接绳的搭接方式、截角正八面体状胞元结构单独进行拓展组装等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。