一种模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构

摘要

本发明涉及一种张拉整体结构与可展结构技术领域，特别涉及一种可模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构。本发明模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构包括外环张拉整体单元、内环张拉整体单元和连接组件，所述连接组件将外环张拉整体单元和内环张拉整体单元连接形成具有抛物面且曲率可调的嵌套式环形张拉整体结构。外环张拉整体单元、内环张拉整体单元具有相同的拓扑结构，中心位置相同，同类构件的长度成一定比列关系。本发明通过模块化拼接的方式，提供一种带有抛物面、曲面曲率可调的、构型独特的新型环形张拉整体结构，丰富了环形张拉整体结构的连接形式。本发明可应用于天线结构、太空发电站能量转换结构等环形框架结构，应用广泛，实用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种张拉整体结构与可展结构技术领域，特别涉及一种可模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构。

背景技术

张拉整体结构是一些离散的受压构件包含于一组连续的受拉构件中形成的稳定自平衡结构。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。张拉整体结构的自稳定自平衡取决于其拓扑结构、节点位置和预应力分布。张拉整体结构由于轻质、可调整性强、高效等优点，受到学术和工程界的广泛关注。

张拉整体结构于20世纪40年代末由美国著建筑设计师富勒提出。张拉整体结构形式多样，有棱柱型、圆台型、之字形、平板型、星型、圆环形等，经过70多年的发展，张拉整体结构在艺术领域、建筑领域、航空航天领域、生物学领域等领域得到充分的发展和应用。

张拉整体结构的设计方法，通常可分为基于几何特征、“找形”、模块化拼接三种。基于几何特征的结构设计方法，主要是在张拉整体结构发展早期，由建筑学家富勒、莫特罗等基于结构的几何特征提出的，如正n棱柱形张拉整体。“找形”方法，是指基于结构的力学特性，通过优化结构的几何特征如杆长或结构的拓扑结构，找到使得结构处于稳定平衡状态的几何形状，主要方法有：力密度法、平衡矩阵奇异值分解法、动力松弛法等。模块化拼接的方法，是以相同的或不同的张拉整体单元为基本的单元结构，通过增减索或杆的方式，将基本单元结构按一定的方式连接形成新的张拉整体结构。模块化拼接的方法，主要分为轴向拼接和横向拼接。剑桥学者Tibert G在其发表的论文Deployable tensegritystructures for space applications[M].Royal Institute of Technology,2002.提出了一种基于轴向拼接方法的多层棱柱形张拉整体结构。国内学者张幸锵在其论文张幸锵,袁行飞.新型三棱柱张拉整体平板结构研究[J].建筑结构,2011,41(03):24-27+77.DOI:10.19701/j.jzjg.2011.03.006.中提出了一种基于横向拼接的平板型张拉整体结构。本专利采用的结构设计方法是模块化拼接的方法，结构类型是嵌套式。

圆环形张拉整体结构由于其轻质、可折展、结构对称等特点，在航空航天领域常被用作天线的结构设计。公开号为CN 111997198 A的专利公开了一种可折展的环形张拉整体结构，当结构处于折叠状态时，体积较小便于运输；在外力驱动下，结构逐步展开至工作状态并锁定为稳态。公开号为CN 106522368 A的专利公开了一种单体间存在重叠率的圆环形张拉整体结构，结构由m个单体首尾相连环向组合而成，具有环向对称性。

目前环形张拉整体结构类型仍然较少，结构也比较复杂且缺乏带有抛物面的构型。因此，设计出一种构型简单的新型环形张拉整体结构，是一件富有意义的工作。

发明内容

本发明为克服上述背景技术存在的至少一种缺陷(不足)，提出一种通过模块化拼接的方式，公开了一种带有抛物面的、构型简单、轻质的新型环形张拉整体结构。本发明提出的可模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构丰富了环形张拉整体结构的连接形式。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构，其包括外环张拉整体单元、内环张拉整体单元和连接组件，所述连接组件将外环张拉整体单元和内环张拉整体单元连接形成具有抛物面曲率可调的嵌套式环形张拉整体结构。

进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的外环张拉整体单元、内环张拉整体单元具有相同的拓扑结构，中心位置相同，同类构件的长度成一定比列关系。

进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的外环张拉整体单元或内环张拉整体单元均包括4n个节点、2n根杆件、4n根横索、2n根竖索、2n根斜索；具体如下：

4n个节点分为Ⅰ类节点、Ⅱ类节点、Ⅲ类节点和Ⅳ类节点，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类节点各有n个，逆时针均匀分布在半径为d

Ⅰ类节点和Ⅱ类节点位于下平面、Ⅲ类节点和Ⅳ类节点位于上平面，同类节点中，节点 i和节点i+1(i＝1，2…n-1)及圆心构成的圆周角为θ，θ＝2π/n；

Ⅰ类节点和Ⅱ类节点或Ⅲ类节点和Ⅳ类节点中，节点i和节点i+n及圆心构成的圆周角为β，β＝π/n；

Ⅰ类节点和Ⅳ类节点或Ⅱ类节点和Ⅲ类节点中，节点i和节点i+2n构成的圆周角为扭转角σ。

进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的连接组件包括4n根连接索、 4n个固定节点、2n根固定杆和4n根固定索，所述连接索通过连接外环张拉整体单元、内环张拉整体单元对应节点形成，连接索的中心位置为固定节点，逆时针编号为 8n+1，8n+2…12n，连接左右相邻的固定节点形成固定索，连接上下相邻的固定节点形成固定杆。

进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的外环张拉整体单元的杆件、横索、斜索、竖索根据长度分为长杆件、短杆件、长横索、短横索、长斜索、短斜索、长竖索、短竖索，相同类型构件长度和预应力分布相同。内环张拉整体单元结构与外环张拉整体单元相同。

进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构是通过改变外环张拉整体单元和内环张拉整体单元同类构件长度的比列系数，调整所述嵌套式环形张拉整体结构的抛物面曲率。

进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的外环张拉整体单元或内环张拉整体单元的所有杆件都只受压力，所有的索件都只受拉力，构件中存在预应力，整体结构处于自稳定自平衡状态。

进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的外环张拉整体单元拓扑连接方式为：

杆件的连接矩阵为：[1:n,2n+1:3n；3n+1:4n,n+2:2n,n+1]；

横索的连接矩阵为：[1:n,1:n,2n+1:3n,2n+1:3n；n+1:2n,2:n,1,3n+1:4n,2n+2:3n,2n+1]；

竖索的连接矩阵为：[1:n,n+1:2n；4n,3n+1:4n-1,2n+1:3n]；

斜索的连接矩阵为：[n+1:2n,3n+1:4n；3n+1:4n,n+2:2n,n+1]。

进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的内环张拉整体单元拓扑连接方式为：

杆件的连接矩阵为：[1:n,2n+1:3n；3n+1:4n,n+2:2n,n+1]；

横索的连接矩阵为：[1:n,1:n,2n+1:3n,2n+1:3n；n+1:2n,2:n,1,3n+1:4n,2n+2:3n,2n+1]；

竖索的连接矩阵为：[1:n,n+1:2n；4n,3n+1:4n-1,2n+1:3n]；

斜索的连接矩阵为：[n+1:2n,3n+1:4n；3n+1:4n,n+2:2n,n+1]。

进一步地，所述模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的连接组件的拓扑连接方式为：

连接索：[1：4n；4n+：8n]；

固定杆：[8n+1:10n；10n+1：12n]；

固定索：[8n+1：12n；8n+2：9n,8n+1,9n+2:10n,9n+1,10n+2:11n,10n+1；11n+2:12n,11n+1]。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明通过模块化拼接的方式，提供一种带有抛物面、曲面曲率可调的、构型独特的新型环形张拉整体结构，丰富了环形张拉整体结构的连接形式。

(2)本发明可应用于天线结构、太空发电站能量转换结构等环形框架结构。

附图说明

图1为本发明的模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的参数示意图；

图2为本发明的模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的俯视图；

图3为本发明的模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的侧视图；

图4为本发明模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的立体图。

其中，1、外环张拉整体单元；2、内环张拉整体单元第一表面；3、连接组件。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。为了更好说明实施例，附图中部件结构会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。对本技术人员来说，附图中部件的组装方式也是可以理解的。

在本发明的描述中，“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”的表述是为了描述需要，不能构成对技术特征的限定。“第一”、“第二”不是对特征数量的限定，而是为了区分不同的部件名称。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

参考图1至4，提供一种模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构。

本实施例提供一种模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构，其包括外环张拉整体单元1、内环张拉整体单元2和连接组件3，所述连接组件3将外环张拉整体单元1和内环张拉整体单元2连接形成具有抛物面曲率可调的嵌套式环形张拉整体结构。

其中，外环张拉整体单元1、内环张拉整体单元2具有相同的拓扑结构，中心位置相同，同类构件的长度成一定比列关系。

外环张拉整体单元1或内环张拉整体单元2均包括4n个节点、2n根杆件、4n根横索、2n根竖索、2n根斜索；具体如下：

4n个节点分为Ⅰ类节点、Ⅱ类节点、Ⅲ类节点和Ⅳ类节点，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类节点各有n个，逆时针均匀分布在半径为d

Ⅰ类节点和Ⅱ类节点位于下平面、Ⅲ类节点和Ⅳ类节点位于上平面，同类节点中，节点 i和节点i+1(i＝1，2…n-1)及圆心构成的圆周角为θ，θ＝2π/n；

Ⅰ类节点和Ⅱ类节点或Ⅲ类节点和Ⅳ类节点中，节点i和节点i+n及圆心构成的圆周角为β，β＝π/n；

Ⅰ类节点和Ⅳ类节点或Ⅱ类节点和Ⅲ类节点中，节点i和节点i+2n构成的圆周角为扭转角σ。

连接组件3包括4n根连接索、4n个固定节点、2n根固定杆和4n根固定索，所述连接索通过连接外环张拉整体单元1和内环张拉整体单元2对应节点形成，连接索的中心位置为固定节点，逆时针编号为8n+1，8n+2…12n，连接左右相邻的固定节点形成固定索，连接上下相邻的固定节点形成固定杆。

外环张拉整体单元1的杆件、横索、斜索、竖索根据长度分为长杆件、短杆件、长横索、短横索、长斜索、短斜索、长竖索、短竖索，相同类型构件长度和预应力分布相同。内环张拉整体单元结构2与外环张拉整体单元1相同。

本发明模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构是通过改变外环张拉整体单元和内环张拉整体单元同类构件长度的比列系数，调整所述嵌套式环形张拉整体结构的抛物面曲率。本分吗模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构的外环张拉整体单元或内环张拉整体单元的所有杆件都只受压力，所有的索件都只受拉力，构件中存在预应力，整体结构处于自稳定自平衡状态。

实施例2

参考图1至图4，本实施例模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构由外环张拉整体单元 1、内环张拉整体单元2和连接组件3，所述连接组件3将外环张拉整体单元1和内环张拉整体单元2连接形成具有抛物面曲率可调的嵌套式环形张拉整体结构。外环张拉整体单元1和内环张拉整体单元2均具有4n个节点，其中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、四类节点各n个；具有2n根杆件，其中长杆件n根，短杆件n根；具有横索4n根，其中长横索2n根，短横索2n根；具有斜索2n根，其中长斜索n根，短斜索n根。

所述连接组件3具有4n个固定节点，4n根连接索，2n根固定杆和4n根固定索。

进一步地，所述结构的节点位置通过以下方案确定：

外环张拉整体单元1具有4n个节点，其位置通过以下步骤确定：

步骤一：Ⅰ类节点均匀分布在半径为d

步骤二：Ⅰ类和Ⅱ类节点在同一平面上，且圆周的中心相同；Ⅲ类和Ⅳ类节点在同一平面上，且圆周的中心相同。

步骤三：Ⅰ类节点和Ⅱ类节点或Ⅲ类节点和Ⅳ类节点中，节点i和节点i+n构成的圆周角为β，β＝π/n。Ⅰ类节点和Ⅳ类节点或Ⅱ类节点和Ⅲ类节点中，节点i和节点i+2n构成的圆周角为扭转角σ。

内环张拉整体单元1具有4n个节点，编号为：4n+1，4n+2，…8n，其位置的分布与外环张拉整体单元1相同。内环张拉整体单元1与外环张拉整体单元2相同，对应节点到中心的距离成一定比列关系。

连接组件3具有4n个节点，编号为：8n+1，8n+2，…12n，其中节点8n+i是节点i和节点4n+i连线的中点。

上述结构的杆件和索件通过以下方案确定：

外环张拉整体单元1具有2n根杆件，通过连接矩阵[1:n,2n+1:3n；3n+1:4n,n+2:2n,n+1] 确定；外环张拉整体单元1具有4根横索，通过连接矩阵 [1:n,1:n,2n+1:3n,2n+1:3n；n+1:2n,2:n,1,3n+1:4n,2n+2:3n,2n+1]确定；外环张拉整体单元1具有2n根竖索，通过连接矩阵[1:n,n+1:2n；4n,3n+1:4n-1,2n+1:3n]确定；外环张拉整体单元1具有2n根斜索，通过连接矩阵[n+1:2n,3n+1:4n；3n+1:4n,n+2:2n,n+1]确定。

内外环张拉整体单元2具有2n根杆件，4根横索，2n根竖索，2n根斜索，构件的确定方式与外环张拉整体单元1相同。

连接组件3具有2n根杆件，通过连接矩阵[8n+1:10n；10n+1：12n]确定；连接组件3具有4n根连接索，通过连接矩阵[1：4n；4n+：8n]确定；连接组件3具有4n根固定索，通过连接矩阵[8n+1：12n；8n+2：9n,8n+1,9n+2:10n,9n+1,10n+2:11n,10n+1；11n+2:12n,11n+1] 确定。

实施例3

本实施例为具体取值的模块化拼接的嵌套式环形张拉整体结构分析。

本实施例的取n＝6，即外环12杆，内环12杆，连接杆12杆。

第一步，根据圆周角θ＝2π/6，定义第一个节点位置后，可以确定Ⅰ类其余5个节点的位置。

第二步，根据圆周角β＝π/6，可以确定第Ⅱ类6个节点的位置。

第三步，根据扭转角σ＝π/12，可以确定第Ⅲ类和第Ⅳ类节点位置。

第四步，根据该结构的拓扑连接关系，连接节点1和节点19，节点2和节点20，节点3和节点21，节点4和节点22，节点5和节点23，节点6和节点24，节点7和节点18，节点 8和节点13，节点9和节点14，节点10和节点15，节点11和节点16，节点12和节点17，共12根杆。其中右旋方向的为6根，左旋方向的为5根。

第五步，根据该结构的拓扑连接关系，连接节点1和节点7，节点2和节点8，节点3和节点9，节点4和节点10，节点5和节点11，节点6和节点12，节点1和2，节点2和节点3，节点3和节点4，节点4和节点5，节点5和节点6，节点6和节点1，节点13和节点 19，节点14和节点20，节点15和节点21，节点16和节点22，节点17和节点23，节点18 和节点24，节点13和节点14，节点14和节点15，节点15和节点16，节点17和节点18，节点18和节点12，共24根横索。

第六步，根据该结构的拓扑连接关系，连接节点1和节点24，节点2和节点19，节点3和节点20，节点4和节点21，节点5和节点22，节点6和节点23，节点7和节点13，节点 8和节点14，节点9和节点15，节点10和节点16，节点11和节点17，节点12和节点18，共12根竖索。

第七步，根据该结构的拓扑连接关系，连接节点7和节点19，节点8和节点19，节点8和节点20，节点9和节点20，节点9和节点21，节点10和节点21，节点10和节点22，节点11和节点22，节点11和节点23，节点12和节点23，节点12和节点24，节点7和节点 24，共12根斜索。

第八步，根据外环张拉整体单元1和内环张拉整体单元2比列关系，可以确定内环张拉整体单元24个节点(节点25-节点48)的位置和连接关系，进一步确定内环张拉整体单元的12根杆和24根横索，12根斜索，12根竖索。

第九步，连接节点1和节点25，节点2和26…节点24和节点48，共24根连接索。

第十步，由连接索确定24个固定节点(节点49-节点72)的位置。

第十一步，连接节点49和节点61，节点50和62…节点60和节点72，共12根固定杆。

第十二步，连接节点49和节点50，节点51和节点52…节点59和节点60，节点60 和节点49，节点61和节点62，节点62和节点63…节点71和节点72，节点72和节点61，共24根固定索。

本发明通过模块化拼接的方式，提供一种带有抛物面、曲面曲率可调的、构型独特的新型环形张拉整体结构，丰富了环形张拉整体结构的连接形式。本发明可应用于天线结构、太空发电站能量转换结构等环形框架结构，应用广泛，实用性强。

以上对本发明做了详尽的描述，通过具体实施方式对本发明的原理和实施方式进行了阐述，也仅用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。