零热膨胀系数三角形结构的理论与实验研究

摘要

分别对铰接和固结节点的基于不同材料的三角形单元高度方向热膨胀系数进行了理论推导,给出了其为零的条件及设计公式。研究表明,两种三角形单元在结构尺寸一致的条件下,高度方向热膨胀系数接近相同,即与节点型式接近无关。设计了实验装置,采用分辨率为5nm的位移传感器和分辨率为0.02℃的铂温度传感器,在实验室内对铰接节点的基于普通铝材和钢材的三角形单元高度方向进行了热膨胀系数实测,测量结果为,在20～40℃温度区间内,其热膨胀系数达1.59×10^(-6)±0.23/℃,约为普通碳钢材料热膨胀系数的1/7。验证了利用两种具有不同热膨胀系数的普通材料通过合理设计,有望实现较低的热膨胀系数,从而可能替代昂贵的专用贵重材料来制造精密机械的支撑和定位机构,用以消除温度变化引起的热胀冷缩对系统性能的影响,尤其适用于基于三角形单元结构的天文望远镜桁架镜筒的设计。