專利名稱：一種仿竹桁架結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種柱狀仿竹桁架結(jié)構(gòu)，屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
仿竹桁架結(jié)構(gòu)是借鑒自然竹宏觀特征，進(jìn)行仿生設(shè)計的一種柱狀桁架結(jié)構(gòu)。自然植物竹是一種沿軸向分布著竹節(jié)，由竹節(jié)的徑向隔框同竹筒部分組成一個縱橫關(guān)聯(lián)的整體的結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)表明，竹節(jié)的徑向隔框可使竹筒的徑向承載能力提高三倍，大幅度的提高了結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度。而柱狀桁架結(jié)構(gòu)是一種外圍輪廓呈柱狀的桁架形式，由于該結(jié)構(gòu)具有較高的比剛度和比強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。柱狀桁架代表性的結(jié)構(gòu)形式為柱狀格柵結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)的桁架桿單元呈螺旋曲線，沿結(jié)構(gòu)軸向分布于結(jié)構(gòu)的外圍。該類結(jié)構(gòu)桁架桿單元的分布特點(diǎn)，導(dǎo)致了該類結(jié)構(gòu)在大跨度條件下徑向強(qiáng)度不足的問題。中國專利ZL 01814980. 4公布了一種柱狀桁架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由圍繞一軸線纏繞的螺旋折線桿單元和連接結(jié)構(gòu)兩端的直線桿單元組成。由于該結(jié)構(gòu)的外輪廓呈鋸齒狀， 因此不利于通過膠接蒙皮以形成光滑曲面，同時也給構(gòu)件間的裝配帶來困難；另一方面結(jié)構(gòu)的桿單元走向皆為軸向，徑向無桿單元支撐，影響結(jié)構(gòu)的整體抗彎剛度和強(qiáng)度。仿竹桁架結(jié)構(gòu)涉及一種柱狀桁架結(jié)構(gòu)。自然竹宏觀結(jié)構(gòu)中沿軸向分布著竹節(jié)，由竹節(jié)的徑向隔框同竹筒部分組成一個縱橫關(guān)聯(lián)的整體，既保持了桁架結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)特點(diǎn)，又提高了其在大跨度條件下的剛度與強(qiáng)度。仿竹桁架結(jié)構(gòu)一方面通過外圍母線桿單元和螺旋曲線桿單元保證外輪廓的光滑連續(xù)，且利用螺旋折線桿單元強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)、抗軸向壓縮和抗軸向拉伸性能；另一方面借鑒竹節(jié)對竹結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的影響機(jī)理，在桁架結(jié)構(gòu)中布置徑向桿單元，使結(jié)構(gòu)變?yōu)榭v橫相連的整體，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎曲和抗徑向壓縮性能。因此，該結(jié)構(gòu)既具有桁架結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)特點(diǎn)，又提高了其在大跨度條件下的剛度和強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
為避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種仿竹桁架結(jié)構(gòu)，這種桁架結(jié)構(gòu)通過外圍母線桿單元和螺旋曲線桿單元保證外輪廓的光滑連續(xù)，且利用螺旋折線桿單元強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)、抗軸向壓縮和抗軸向拉伸性能；同時，借鑒竹節(jié)對竹結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的影響機(jī)理，在桁架結(jié)構(gòu)中設(shè)置徑向桿單元，使結(jié)構(gòu)變?yōu)榭v橫相連的整體，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎曲性能和抗徑向壓縮性能。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案結(jié)構(gòu)由柱面母線桿單元、柱面螺旋曲線桿單元、螺旋折線桿單元、徑向桿單元四部分組成。沿結(jié)構(gòu)軸向的桿單元由柱面母線桿單元、柱面螺旋曲線桿單元和螺旋折線桿單元構(gòu)成，沿結(jié)構(gòu)徑向的桿單元由直線段連接位于同一橫截面的螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成。所述柱面母線桿單元沿圓柱面的周向均勻分布在圓柱面上，柱面母線桿單元段數(shù)設(shè)為n，則η彡3。所述柱面螺旋曲線桿單元是以柱面母線桿單元的端點(diǎn)為起點(diǎn)，沿柱面順時針和逆時針螺旋纏繞形成。有η段柱面母線桿單元，則有2η條柱面螺旋曲線桿單元。其中，每條螺旋曲線桿單元以結(jié)構(gòu)左右兩端母線桿單元的端點(diǎn)為起止點(diǎn)，且至少應(yīng)經(jīng)過兩片由母線桿單元劃分的柱面區(qū)域，則螺距應(yīng)滿足下式L/S = m/k (k為大于等于2的正整數(shù))其中，L-螺旋曲線桿單元的螺距；S-母線桿單元的長度；m-由母線桿單元均勻劃分的柱面區(qū)域數(shù)，也等于母線桿單元段數(shù)；k-每條螺旋曲線桿單元經(jīng)過的由母線桿單元劃分的柱面區(qū)域數(shù)。所述螺旋折線桿單元是以柱面母線桿單元的端點(diǎn)為起點(diǎn)，沿著螺旋曲線桿單元的方向，由直線段連接螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成，其條數(shù)等于柱面螺旋曲線桿單元條數(shù)，為2η條。所述徑向桿單元是直線段連接位于同一橫截面的螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成，位于同一橫截面的交點(diǎn)等于母線桿單元的段數(shù)η。徑向桿單元最多有 η*(η-1)/2段，至少應(yīng)有1段。具體步驟步驟1，柱面母線桿單元布置，設(shè)置η段母線桿單元均布于柱面，其η ^ 3 ；步驟2，柱面螺旋曲線桿單元創(chuàng)建，(1)螺旋曲線桿單元螺距計算，每條螺旋曲線桿單元經(jīng)過由母線桿單元劃分的柱面區(qū)域數(shù)為k，由以下算式計算螺距L L/S = m/k (k為大于等于2的正整數(shù))其中，L-螺旋曲線桿單元的螺距，S-母線桿單元的長度，m-由母線桿單元均勻劃分的柱面區(qū)域數(shù)，也等于母線桿單元段數(shù)，k-每條螺旋曲線桿單元經(jīng)過的由母線桿單元劃分的柱面區(qū)域數(shù)；(2)柱面螺旋曲線桿單元創(chuàng)建，以L為螺距，以柱面母線桿單元的端點(diǎn)為起點(diǎn)，沿柱面順時針和逆時針螺旋纏繞形成柱面螺旋曲線桿單元，有η段柱面母線桿單元，則有2η 條柱面螺旋曲線桿單元；步驟3，螺旋折線桿單元創(chuàng)建，螺旋折線桿單元是以柱面母線桿單元的端點(diǎn)為起點(diǎn)，沿著螺旋曲線桿單元的方向，由直線段連接螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成， 其條數(shù)等于柱面螺旋曲線桿單元條數(shù)，為2η條；步驟4，徑向桿單元創(chuàng)建，徑向桿單元是以直線段連接位于同一橫截面的螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成。位于同一橫截面的交點(diǎn)等于母線桿單元的段數(shù)η，徑向桿單元最多有η* (η-1) /2段，至少應(yīng)有1段。有益效果本發(fā)明一種仿竹桁架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為外圍母線桿單元和螺旋曲線桿單元保證外輪廓的光滑連續(xù)，且利用螺旋折線桿單元強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)、抗軸向壓縮和抗軸向拉伸性能；另一方面，借鑒竹節(jié)對竹結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的影響機(jī)理，在桁架結(jié)構(gòu)中布置徑向桿單元，使結(jié)構(gòu)變?yōu)榭v橫相連的整體，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎曲和抗徑向壓縮性能。在柱狀桁架結(jié)構(gòu)中添加徑向桿單元，形成縱橫相連的仿竹桁架結(jié)構(gòu)，既保持了桁架結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)特點(diǎn)，又提高了其在大跨度條件下的剛度和強(qiáng)度。本發(fā)明仿竹桁架結(jié)構(gòu)是具有高比強(qiáng)度、高比剛度的柱狀桁架結(jié)構(gòu)，可滿足現(xiàn)代航空航天等領(lǐng)域?qū)α航Y(jié)構(gòu)輕量化的需求。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明一種仿竹桁架結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為仿竹桁架柱面母線桿單元示意圖。圖2為仿竹桁架柱面螺旋曲線桿單元示意圖。圖3為仿竹桁架螺旋折線桿單元示意圖。圖4為仿竹桁架徑向桿單元示意圖。圖5為仿竹桁架結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.柱面母線桿單元 2.柱面螺旋曲線桿單元3.螺旋折線桿單元 4.徑向桿單元
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例是一種仿竹桁架結(jié)構(gòu)，包括柱面母線桿單元1、柱面螺旋曲線桿單元2、 螺旋折線桿單元3、徑向桿單元4組成。仿竹桁架結(jié)構(gòu)沿軸向的桿單元由柱面母線桿單元1、柱面螺旋曲線桿單元2和螺旋折線桿單元3構(gòu)成，徑向桿單元4由直線段連接位于同一橫截面的螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成。柱面母線桿單元1，沿圓柱面的周向均勻分布在圓柱面上，柱面母線桿單元段數(shù)設(shè)為n，則η彡3。柱面螺旋曲線桿單元2，以柱面母線桿單元的端點(diǎn)為起點(diǎn)，沿柱面順時針和逆時針螺旋纏繞形成。有η段柱面母線桿單元，則有2η條柱面螺旋曲線桿單元。其中，每條螺旋曲線桿單元以結(jié)構(gòu)左右兩端母線桿單元的端點(diǎn)為起止點(diǎn)，且至少應(yīng)經(jīng)過兩片由母線桿單元劃分的柱面區(qū)域，則螺距應(yīng)滿足以下式子L/S = m/k (k為大于等于2的正整數(shù))其中，L-螺旋曲線桿單元的螺距；S-母線桿單元的長度；m-由母線桿單元均勻劃分的柱面區(qū)域數(shù)，也等于母線桿單元段數(shù)；k-每條螺旋曲線桿單元經(jīng)過的由母線桿單元劃分的柱面區(qū)域數(shù)。螺旋折線桿單元3，以柱面母線桿單元的端點(diǎn)為起點(diǎn)，沿著螺旋曲線桿單元的方向，由直線段連接螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成，其條數(shù)等于柱面螺旋曲線桿單元條數(shù)，為2η條。徑向桿單元4，以直線段連接位于同一橫截面的螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成。位于同一橫截面的交點(diǎn)等于母線桿單元的段數(shù)η，徑向桿單元最多有η* (n-1) /2 段，至少應(yīng)有1段。 以具有8條母線桿單元，即將柱面區(qū)域劃分為8份，且每條螺旋曲線桿單元經(jīng)過柱面上由母線桿單元劃分的8片柱面區(qū)域的實(shí)施例進(jìn)行描述。第一步，柱面母線桿單元布置，布置8條母線桿單元均布于柱面，參見圖1 ；第二步，柱面螺旋曲線桿單元創(chuàng)建，(1)確定螺旋曲線桿單元螺距，每條螺旋曲線桿單元經(jīng)過柱面上由母線桿單元劃分的8片柱面區(qū)域，則k = 8，由算式L/S = m/k,計算螺距L = S*n/k = S，即螺距等于母線桿單元的長度；其中，L-螺旋曲線桿單元的螺距，S-母線桿單元的長度，m-由母線桿單元均勻劃分的柱面區(qū)域數(shù)，也等于母線桿單元段數(shù)，k-每條螺旋曲線桿單元經(jīng)過的由母線桿單元劃分的柱面區(qū)域數(shù)；(2)柱面螺旋曲線桿單元創(chuàng)建，以柱面母線桿單元的長度為螺距，以柱面母線桿單元的端點(diǎn)為起點(diǎn)，沿柱面順時針和逆時針螺旋纏繞形成16條柱面螺旋曲線桿單元，參見圖 2 ；第三步，螺旋折線桿單元創(chuàng)建，以柱面母線桿單元的端點(diǎn)為起點(diǎn)，沿著螺旋曲線桿單元的方向，直線段連接螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)，形成16條螺旋折線桿單元，參見圖3 ；第四步，徑向桿單元創(chuàng)建，以直線段連接位于同一橫截面的螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成徑向桿單元。位于同一橫截面的交點(diǎn)等于母線桿單元的段數(shù)8，徑向桿單元最多有8* (8-1) /2 = 28段，至少應(yīng)有1段，參見圖4。
權(quán)利要求
1.一種仿竹桁架結(jié)構(gòu)，其特征在于包括柱面母線桿單元、柱面螺旋曲線桿單元、螺旋折線桿單元、徑向桿單元，其中，沿結(jié)構(gòu)軸向的桿單元由柱面母線桿單元、柱面螺旋曲線桿單元和螺旋折線桿單元構(gòu)成，沿結(jié)構(gòu)徑向的桿單元由直線段連接位于同一橫截面的螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成；所述柱面母線桿單元沿圓柱面的周向均勻分布在圓柱面上，柱面母線桿單元段數(shù)設(shè)為 n，則η彡3 ；所述柱面螺旋曲線桿單元是以柱面母線桿單元的端點(diǎn)為起點(diǎn)，沿柱面順時針和逆時針螺旋纏繞形成，有η段柱面母線桿單元，則有2η條柱面螺旋曲線桿單元；所述螺旋折線桿單元是以柱面母線桿單元的端點(diǎn)為起點(diǎn)，沿著螺旋曲線桿單元的方向，由直線段連接螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成，其條數(shù)等于柱面螺旋曲線桿單元條數(shù)，為2η條；所述徑向桿單元是以直線段連接位于同一橫截面的螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成，位于同一橫截面的交點(diǎn)等于母線桿單元的段數(shù)η，徑向桿單元最多有η*(η-1)/2 段，至少應(yīng)有1段。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿竹桁架結(jié)構(gòu)，其特征在于每條螺旋曲線桿單元以左右兩端母線桿單元的端點(diǎn)為起止點(diǎn)，且至少應(yīng)經(jīng)過兩片由母線桿單元劃分的柱面區(qū)域，則螺距應(yīng)滿足下式L/S = m/k (k 彡 2)其中，L-螺旋曲線桿單元的螺距，S-母線桿單元的長度，m-由母線桿單元劃分的柱面區(qū)域數(shù)，k-每條螺旋曲線桿單元經(jīng)過的由母線桿單元劃分的柱面區(qū)域數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種仿竹桁架結(jié)構(gòu)。包括由柱面母線桿單元、柱面螺旋曲線桿單元和螺旋折線桿單元構(gòu)成的結(jié)構(gòu)軸向的桿單元，沿結(jié)構(gòu)徑向的桿單元由直線段連接位于同一橫截面的螺旋曲線桿單元同母線桿單元的交點(diǎn)形成；其中，柱面母線桿單元和螺旋曲線桿單元共同保證了外輪廓為平滑柱面；螺旋折線桿單元強(qiáng)化結(jié)構(gòu)抗軸向壓縮性能和抗扭轉(zhuǎn)性能；徑向桿單元提高結(jié)構(gòu)的抗徑向壓縮性能和抗彎性能。本發(fā)明是一種具高比強(qiáng)度、高比剛度的柱狀桁架結(jié)構(gòu)，滿足現(xiàn)代航空航天器構(gòu)件大跨度、輕量化的需求，有效地解決了柱狀桁架結(jié)構(gòu)在大細(xì)長比條件下的剛度和強(qiáng)度不足問題。
文檔編號E04C3/02GK102518253SQ20111041115
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月10日
發(fā)明者劉闖, 王俊彪, 范玉斌, 賴長亮, 陳輝 申請人:西北工業(yè)大學(xué)