一种新型可展环形张拉整体结构的制作方法

本发明涉及张拉整体结构与可展结构技术领域，具体涉及一种新型可展环形张拉整体结构。

背景技术：

张拉整体结构是一种由承受轴力的压杆和拉索组成的预应力自平衡结构体系。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。张拉整体结构具有质量轻、造型新颖、跨度大等优点，受到了学术和工程界的广泛关注。

可展结构是一种可折叠和展开的结构。当其处于折叠状态时，整体体积小便于运输；在外力驱动下，结构逐步展开至工作状态，然后锁定为稳定状态。可展结构在宇航、建筑结构、军事工程等领域有一定应用。对于可展结构，总是希望在质量轻、结构简单、有利于平衡环向压力、收纳比高等优点的结构上有更加好的结构方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种简单高效、可平衡环向压力的新型可展环形张拉整体结构。为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种新型环形张拉整体结构，包括2p(p>3)个水平杆、2p个稳定杆、4p个斜索、p个竖索、p个ⅰ类节点、p个ⅱ类节点和2p个ⅲ类节点；其中，ⅰ类节点连接相邻的2个水平杆；ⅱ类节点连接2个水平杆、2个稳定杆和4个斜索；ⅲ类节点连接1个稳定杆、2个斜索和1个竖索；展开态的环形张拉整体结构由2p个等长的水平杆通过ⅰ类节点和ⅱ类节点首尾相接连成半径为r的正p边形作为内环，在正多边形的每个ⅱ类节点上连接有2个长度为h、夹角为2α的稳定杆；每个ⅱ类节点上的稳定杆所在平面为正多边形外接圆过此节点的法平面；可展环形张拉整体结构关于正多边形所在平面呈镜面对称，关于正多边形法线呈旋转对称，旋转角为展开态下，ⅰ类和ⅱ类节点刚接；收缩态下，ⅰ类和ⅱ类节点单向铰接，2p个水平杆沿正多边形法平面折叠后使环形张拉整体结构进入收缩态。

进一步地，所述结构存在四组构件，2p个水平杆为第1组构件；2p个稳定杆为第2组构件；4p个斜索为第3组构件；p个竖索为第4组构件；同组构件具有一致的长度和展开态预应力。

进一步地，当结构展开时，ⅰ类节点和ⅱ类节与水平杆刚接，结构存在预应力，形成可以承受荷载的结构；当结构折叠时，ⅰ类节点和ⅱ类节点与水平杆单向铰接，2p个水平杆折叠，结构预应力消失，形成机构；所述ⅲ类节点为铰接节点，压杆单元及拉索单元可在节点处发生转动。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提供了一种可平衡环向压力、简单高效的新型可展环形张拉整体结构体系。本发明由承受轴力的压杆和拉索组成，结构刚度有预应力刚度的贡献，所以可以节省大量的材料，减少自重。由于结构的收缩方式为水平杆折叠，结构的收纳比较高。本发明不需要通过改变构件的数量和长度使体系转换为机构或结构，只利用水平杆的折叠与展开就可驱动结构的开合。本发明在可展天线、体育场穹顶结构方面均存在应用价值。

附图说明

图1是本发明一种新型可展环形张拉整体结构的俯视图。

图2是本发明一种新型可展环形张拉整体结构的侧视图。

图3是本发明一种新型可展环形张拉整体结构的立体图。

图4是本发明一种新型可展环形张拉整体结构的ⅰ类节点展开态示意图。

图5是本发明一种新型可展环形张拉整体结构的ⅰ类节点折叠态示意图。

图6是本发明一种新型可展环形张拉整体结构的ⅱ类节点展开态示意图。

图7是本发明一种新型可展环形张拉整体结构的ⅱ类节点折叠态示意图。

图8是本发明一种新型可展环形张拉整体结构的折叠过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1、2、3所示，一种新型可展环形张拉整体结构，包括2p(p>3)个水平杆1、p个上稳定杆2、p个下稳定杆3，4p个斜索4和p个竖索5、p个ⅰ类节点6、p个ⅱ类节点7和2p个ⅲ类节点8；整个新型环形张拉整体结构的具体组成由以下参数唯一确定：内环正多边形节点数p，内环正多边形外接圆半径r，稳定杆长度h，稳定杆与水平面夹角α。

展开态下，同组构件具有相同或者尽可能相同的长度和预应力；所述水平杆1、上稳定杆2、下稳定杆3存在预压力，所述斜索4、竖索5存在预拉力，且整体结构预应力自平衡。

稳定杆2、3与斜索4和竖索5之间通过ⅱ类节点7和ⅲ类节点8相连，斜索4和竖索5可在节点处发生转动。

如图4所示，ⅰ类节点6的节点板9有4个开孔，板厚度为水平杆1厚度的三分之一；水平杆1的两端分别有两个开孔与厚度为三分之一杆件壁厚的开槽；展开状态下，水平杆1的两个开孔与节点板9的两个开孔通过销钉固定，可将单向铰接自由度锁死，此时两个水平杆1刚接为长度为两倍的水平杆。

如图5所示，折叠状态下，水平杆1的外部开孔与节点板9的内部开孔通过销钉连接，保证水平杆1与节点板9的单向铰接；水平杆向上折叠，达到结构的折叠状态。

如图6所示，ⅱ类节点7的径向节点板10上有两个开孔；两个法向节点板11上各有两个开孔；径向节点板10上的两个开孔与上稳定杆2、下稳定杆3通过销钉单向铰接；展开状态下，法向节点板11的两个开孔与水平杆1的两个开孔通过销钉固定，将单向铰接自由度锁死，此时水平杆1与ⅱ类节点7为刚接。

如图7所示，折叠状态下，法向节点板11的内部开孔与水平杆1的外部开孔通过销钉连接，保证水平杆与ⅱ类节点7的单向铰接；水平杆1、上稳定杆2和下稳定杆3均向上折叠，达到结构的折叠状态。

如图8所示，一种新型可展环形张拉整体结构的折叠过程包括，将水平杆1与ⅰ类节点6和ⅱ类节点7的固定销钉去掉，刚接变为单向铰接；与ⅰ类节点6相连的两个水平杆1在通过水平杆的垂直面内向上折叠，同时，上稳定杆2与下稳定杆3在垂直面内向上折叠；折叠过程中，斜索4和竖索5松弛，结构变为机构，且水平投影面积不断减小。

以上所述节点构造方式仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

技术特征：

1.一种新型可展环形张拉整体结构，其特征在于：包括2p个水平杆、2p个稳定杆、4p个斜索、p个竖索、p个ⅰ类节点、p个ⅱ类节点和2p个ⅲ类节点，p为大于3的自然数；其中，ⅰ类节点连接相邻的2个水平杆；ⅱ类节点连接2个水平杆、2个稳定杆和4个斜索；ⅲ类节点连接1个稳定杆、2个斜索和1个竖索；展开态的环形张拉整体结构由2p个等长的水平杆通过ⅰ类节点和ⅱ类节点首尾相接连成半径为r的正p边形作为内环，在正多边形的每个ⅱ类节点上连接有2个长度为h、夹角为2α的稳定杆；每个ⅱ类节点上的稳定杆所在平面为正多边形外接圆过此节点的法平面；可展环形张拉整体结构关于正多边形所在平面呈镜面对称，关于正多边形法线呈旋转对称，旋转角为展开态下，ⅰ类和ⅱ类节点刚接；收缩态下，ⅰ类和ⅱ类节点单向铰接，2p个水平杆沿正多边形法平面折叠后使环形张拉整体结构进入收缩态。

2.根据权利要求1所述的一种新型可展环形张拉整体结构，其特征在于：该结构存在四组构件，2p个水平压杆为第1组构件；2p个稳定杆为第2组构件；4p个斜索为第3组构件；p个竖索为第4组构件，同组构件具有一致的长度和预应力。

3.根据权利要求1所述的一种新型可展环形张拉整体结构，其特征在于：所述水平杆、稳定杆存在预压力，所述斜索、竖索存在预拉力，且整体结构预应力自平衡。

4.根据权利要求1所述的一种新型可展环形张拉整体结构，其特征在于：在收缩过程及收缩态下ⅰ类节点和ⅱ类节点与压杆的连接方式为单向铰接，旋转方向为压杆所在的正多边形法平面；在展开态下ⅰ类节点和ⅱ类节点与水平压杆的连接通过锁死机构固定，单向铰接变为刚接。

技术总结
本发明提供一种新型可展环形张拉整体结构，包括2p(p>3)个水平杆、2p个稳定杆、4p个斜索、p个竖索、p个Ⅰ类节点、p个Ⅱ类节点和2p个Ⅲ类节点；其中，Ⅰ类节点连接相邻的2个水平杆；Ⅱ类节点连接2个水平杆、2个稳定杆和4个斜索；Ⅲ类节点连接1个稳定杆、2个斜索和1个竖索；展开态的环形张拉整体结构由2p个等长的水平杆通过Ⅰ类节点和Ⅱ类节点首尾相接连成半径为R的正p边形作为内环，在正多边形的每个Ⅱ类节点上连接有2个长度为h、夹角为2α的稳定杆；每个Ⅱ类节点上的稳定杆所在平面为正多边形外接圆过此节点的法平面。本发明弥补了现有可展环形张拉整体结构形式上的不足，提供了一种可平衡环向压力、高收纳比的可展环形张拉整体结构体系。

技术研发人员：袁行飞;马烁;刘宏创
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2019.05.27
技术公布日：2020.11.27