[發明專利]一種仿竹桁架結構

有效

• 申請號: 201110411153.1
• 申請日: 2011-12-10
• 公開（公告）號: CN102518253A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 賴長亮;劉闖;王俊彪;范玉斌;陳輝
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: E04C3/02
• 分類號: E04C3/02
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

技術領域

本發明涉及一種柱狀仿竹桁架結構，屬于結構設計技術領域。

背景技術

仿竹桁架結構是借鑒自然竹宏觀特征，進行仿生設計的一種柱狀桁架結構。自然植物竹是一種沿軸向分布著竹節，由竹節的徑向隔框同竹筒部分組成一個縱橫關聯的整體的結構。試驗表明，竹節的徑向隔框可使竹筒的徑向承載能力提高三倍，大幅度的提高了結構的剛度與強度。而柱狀桁架結構是一種外圍輪廓呈柱狀的桁架形式，由于該結構具有較高的比剛度和比強度，被廣泛應用于航空航天領域。柱狀桁架代表性的結構形式為柱狀格柵結構，該類結構的桁架桿單元呈螺旋曲線，沿結構軸向分布于結構的外圍。該類結構桁架桿單元的分布特點，導致了該類結構在大跨度條件下徑向強度不足的問題。

中國專利ZL?01814980.4公布了一種柱狀桁架結構，這種結構是由圍繞一軸線纏繞的螺旋折線桿單元和連接結構兩端的直線桿單元組成。由于該結構的外輪廓呈鋸齒狀，因此不利于通過膠接蒙皮以形成光滑曲面，同時也給構件間的裝配帶來困難；另一方面結構的桿單元走向皆為軸向，徑向無桿單元支撐，影響結構的整體抗彎剛度和強度。

仿竹桁架結構涉及一種柱狀桁架結構。自然竹宏觀結構中沿軸向分布著竹節，由竹節的徑向隔框同竹筒部分組成一個縱橫關聯的整體，既保持了桁架結構的輕質特點，又提高了其在大跨度條件下的剛度與強度。仿竹桁架結構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，且利用螺旋折線桿單元強化結構的抗扭轉、抗軸向壓縮和抗軸向拉伸性能；另一方面借鑒竹節對竹結構剛度和強度的影響機理，在桁架結構中布置徑向桿單元，使結構變為縱橫相連的整體，增強結構的抗彎曲和抗徑向壓縮性能。因此，該結構既具有桁架結構的輕質特點，又提高了其在大跨度條件下的剛度和強度。

發明內容

為避免現有技術存在的不足，本發明提出一種仿竹桁架結構，這種桁架結構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，且利用螺旋折線桿單元強化結構的抗扭轉、抗軸向壓縮和抗軸向拉伸性能；同時，借鑒竹節對竹結構剛度和強度的影響機理，在桁架結構中設置徑向桿單元，使結構變為縱橫相連的整體，增強結構的抗彎曲性能和抗徑向壓縮性能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案：結構由柱面母線桿單元、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。沿結構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成，沿結構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設為n，則n≥3。

所述柱面螺旋曲線桿單元是以柱面母線桿單元的端點為起點，沿柱面順時針和逆時針螺旋纏繞形成。有n段柱面母線桿單元，則有2n條柱面螺旋曲線桿單元。其中，每條螺旋曲線桿單元以結構左右兩端母線桿單元的端點為起止點，且至少應經過兩片由母線桿單元劃分的柱面區域，則螺距應滿足下式：

L/S＝m/k????(k為大于等于2的正整數)

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域數，也等于母線桿單元段數；k-每條螺旋曲線桿單元經過的由母線桿單元劃分的柱面區域數。

所述螺旋折線桿單元是以柱面母線桿單元的端點為起點，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形成，其條數等于柱面螺旋曲線桿單元條數，為2n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形成，位于同一橫截面的交點等于母線桿單元的段數n。徑向桿單元最多有n*(n-1)/2段，至少應有1段。

具體步驟：

步驟1，柱面母線桿單元布置，設置n段母線桿單元均布于柱面，其n≥3；

步驟2，柱面螺旋曲線桿單元創建，

(1)螺旋曲線桿單元螺距計算，每條螺旋曲線桿單元經過由母線桿單元劃分的柱面區域數為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)

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域數，也等于母線桿單元段數，k-每條螺旋曲線桿單元經過的由母線桿單元劃分的柱面區域數；

(2)柱面螺旋曲線桿單元創建，以L為螺距，以柱面母線桿單元的端點為起點，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n段柱面母線桿單元，則有2n條柱面螺旋曲線桿單元；