[实用新型]一种仿竹桁架结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种柱状仿竹桁架结构，属于结构设计技术领域。

背景技术

仿竹桁架结构是借鉴自然竹宏观特征，进行仿生设计的一种柱状桁架结构。自然植物竹是一种沿轴向分布着竹节，由竹节的径向隔框同竹筒部分组成一个纵横关联的整体的结构。试验表明，竹节的径向隔框可使竹筒的径向承载能力提高三倍，大幅度的提高了结构的刚度与强度。而柱状桁架结构是一种外围轮廓呈柱状的桁架形式，由于该结构具有较高的比刚度和比强度，被广泛应用于航空航天领域。柱状桁架代表性的结构形式为柱状格栅结构，该类结构的桁架杆单元呈螺旋曲线，沿结构轴向分布于结构的外围。该类结构桁架杆单元的分布特点，导致了该类结构在大跨度条件下径向强度不足的问题。

中国专利ZL 01814980.4公布了一种柱状桁架结构，这种结构是由围绕一轴线缠绕的螺旋折线杆单元和连接结构两端的直线杆单元组成。由于该结构的外轮廓呈锯齿状，因此不利于通过胶接蒙皮以形成光滑曲面，同时也给构件间的装配带来困难；另一方面结构的杆单元走向皆为轴向，径向无杆单元支撑，影响结构的整体抗弯刚度和强度。

仿竹桁架结构涉及一种柱状桁架结构。自然竹宏观结构中沿轴向分布着竹节，由竹节的径向隔框同竹筒部分组成一个纵横关联的整体，既保持了桁架结构的轻质特点，又提高了其在大跨度条件下的刚度与强度。仿竹桁架结构一方面通过外围母线杆单元和螺旋曲线杆单元保证外轮廓的光滑连续，且利用螺旋折线杆单元强化结构的抗扭转、抗轴向压缩和抗轴向拉伸性能；另一方面借鉴竹节对竹结构刚度和强度的影响机理，在桁架结构中布置径向杆单元，使结构变为纵横相连的整体，增强结构的抗弯曲和抗径向压缩性能。因此，该结构既具有桁架结构的轻质特点，又提高了其在大跨度条件下的刚度和强度。

实用新型内容

为避免现有技术存在的不足，本实用新型提出一种仿竹桁架结构，这种桁架结构通过外围母线杆单元和螺旋曲线杆单元保证外轮廓的光滑连续，且利用螺旋折线杆单元强化结构的抗扭转、抗轴向压缩和抗轴向拉伸性能；同时，借鉴竹节对竹结构刚度和强度的影响机理，在桁架结构中设置径向杆单元，使结构变为纵横相连的整体，增强结构的抗弯曲性能和抗径向压缩性能。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案：结构由柱面母线杆单元、柱面螺旋曲线杆单元、螺旋折线杆单元、径向杆单元四部分组成。沿结构轴向的杆单元由柱面母线杆单元、柱面螺旋曲线杆单元和螺旋折线杆单元构成，沿结构径向的杆单元由直线段连接位于同一横截面的螺旋曲线杆单元同母线杆单元的交点形成。

所述柱面母线杆单元沿圆柱面的周向均匀分布在圆柱面上，柱面母线杆单元段数设为n，则n≥3。

所述柱面螺旋曲线杆单元是以柱面母线杆单元的端点为起点，沿柱面顺时针和逆时针螺旋缠绕形成。有n段柱面母线杆单元，则有2n条柱面螺旋曲线杆单元。其中，每条螺旋曲线杆单元以结构左右两端母线杆单元的端点为起止点，且至少应经过两片由母线杆单元划分的柱面区域，则螺距应满足下式：

L/S＝m/k    (k为大于等于2的正整数)

其中，L-螺旋曲线杆单元的螺距；S-母线杆单元的长度；m-由母线杆单元均匀划分的柱面区域数，也等于母线杆单元段数；k-每条螺旋曲线杆单元经过的由母线杆单元划分的柱面区域数。

所述螺旋折线杆单元是以柱面母线杆单元的端点为起点，沿着螺旋曲线杆单元的方向，由直线段连接螺旋曲线杆单元同母线杆单元的交点形成，其条数等于柱面螺旋曲线杆单元条数，为2n条。

所述径向杆单元是直线段连接位于同一横截面的螺旋曲线杆单元同母线杆单元的交点形成，位于同一横截面的交点等于母线杆单元的段数n。径向杆单元最多有n*(n-1)/2段，至少应有1段。

具体步骤：

步骤1，柱面母线杆单元布置，设置n段母线杆单元均布于柱面，其n≥3；

步骤2，柱面螺旋曲线杆单元创建，

(1)螺旋曲线杆单元螺距计算，每条螺旋曲线杆单元经过由母线杆单元划分的柱面区域数为k，由以下算式计算螺距L：

L/S＝m/k    (k为大于等于2的正整数)

其中，L-螺旋曲线杆单元的螺距，S-母线杆单元的长度，m-由母线杆单元均匀划分的柱面区域数，也等于母线杆单元段数，k-每条螺旋曲线杆单元经过的由母线杆单元划分的柱面区域数；

(2)柱面螺旋曲线杆单元创建，以L为螺距，以柱面母线杆单元的端点为起点，沿柱面顺时针和逆时针螺旋缠绕形成柱面螺旋曲线杆单元，有n段柱面母线杆单元，则有2n条柱面螺旋曲线杆单元；