一种热膨胀自适应桁架支撑结构

1.本实用新型涉及桁架支撑结构技术领域，尤其涉及一种热膨胀自适应桁架支撑结构。


背景技术：

2.机械超材料是通过单元结构控制材料整体性能的设计思路，可以人为获得一些新奇的力学特性，例如负泊松比，负热膨胀，超高强度和超低密度的结合，多稳态以及负刚度等。在一些温度变化很快的环境，热变形对于工程结构稳定性以及精密探测设备的探测精度有极为显著的影响。特别是在精密仪器、航空航天等工程领域中，由于在轨航天器热环境的交替性和复杂性，温度变化引起的热变形会导致结构不能正常运转，有时甚至会出现热疲劳损伤。自然界绝大部分材料在温度升高时会发生几何尺寸增大的现象,即具有正热膨胀系数。而少数一些陶瓷、氧化物、铁电铁磁材料具有反常的低、负膨胀系数。这些固有低或负热膨胀性质的材料在应用方面存在以下问题：材料选择范围十分有限、应用温度受限、材料成本往往很昂贵、导热性能和轻量化程度满足不了航天领域的要求。采用机械超材料的设计思路，则有望通过人工设计常规材料的单元结构，通过对两种具有不同热膨胀系数的材料进行复合，利用二者之间的热变形失配引起结构内部非协调变形，在保证轻量化和高刚度要求的前提下，进一步提升航天器装备部件的热变形稳定性，最终实现结构等效热膨胀系数由正到负的调控。从根本上解决这一工程难题。
3.在目前的研究中，热膨胀系数可调控的桁架结构分为弯曲主导型和拉伸主导型两种。弯曲主导型的结构由于存在连接界面，且变形过程中弯曲应力过大，使得结构整体的强度较低；拉伸主导型的结构常见的有三角形热膨胀可调控的桁架支撑结构，例如中国发明专利申请cn202110285505.7公开了一种航天用离散式装配的零膨胀桁架结构，由若干个双材料三角胞元组成，根据温度载荷作用下双材料热膨胀的相互匹配而导致三角胞元高不变特性，将三角胞元按需排布形成高度方向零膨胀的柱状空间桁架结构。三角胞元的形状为等腰三角形，三角胞元的三条边都为共用边，结构的每层皆由若干个三角胞元围成，每层的三角胞元的底边处于同一水平面内；层状柱形空间桁架结构基于三角胞元的底边和腰离散为两种模块：由n条底边组成的平面正n边形模块、由2n条腰组成的环状结构模块，模块间采用螺栓装配连接。
4.然而上述航天用离散式装配的零膨胀桁架结构在受到温度载荷时整体高度未发生变化，而横向尺寸变大，因此仅能实现高度方向的零膨胀功能，无法实现径向方向上的零膨胀功能，对一些需要安装在零膨胀桁架结构侧部的光学遥感系统、摄像系统、天线等的定位或聚焦器件，当温度载荷引起径向方向上的热胀冷缩时会导致器件定位或聚焦发生偏差，从而导致上述航天用离散式装配的零膨胀桁架结构在实际工程应用中受到其维度的限制。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种热膨胀自适应桁架支撑结构，以解决现有技术中航天用离散式装配的零膨胀桁架结构仅能实现高度方向的零膨胀功能，无法实现径向方向上的零膨胀功能，导致其在实际工程应用中受到其维度限制的技术问题。
6.为达到上述技术目的，本实用新型的技术方案提供一种热膨胀自适应桁架支撑结构,包括内侧胞元层、外侧胞元层及中间胞元层，所述内侧胞元层包括阵列排布且相互连接的内层平面胞元，所述内层平面胞元为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，所述外侧胞元层包括阵列排布且相互连接的外层平面胞元，所述外层平面胞元为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，所述中间胞元层包括设于内侧胞元层与外侧胞元层之间并分别与内侧胞元层和外侧胞元层相连接的中间平面胞元，所述中间平面胞元为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，供内侧胞元层与外侧胞元层之间的间距受到温度载荷时保持不变。
7.在其中一个实施例中，所述内层平面胞元为内层三角形胞元，所述内层三角形胞元由两组第一斜杆与一组第一底杆连接而成，所述第一斜杆与第一底杆的热膨胀系数不同。
8.在其中一个实施例中，所述外层平面胞元为外层三角形胞元，所述外层三角形胞元由两组第二斜杆与一组第二底杆连接而成，所述第二斜杆与第二底杆的热膨胀系数不同。
9.在其中一个实施例中，所述中间平面胞元为中间三角形胞元，所述中间三角形胞元由两组第三斜杆与一组第三底杆连接而成，所述第三斜杆与第三底杆的热膨胀系数不同。
10.在其中一个实施例中，所述内层三角形胞元至少由两层组成，每层由依次交替上下颠倒排布且相连接的多组内层三角形胞元组成，每层中相邻的内层三角形胞元共用一条第一斜杆，相邻层的内层三角形胞元上下颠倒相对并相互连接，相邻层中第一底杆相对的内层三角形胞元共用一条第一底杆。
11.在其中一个实施例中，所述外层三角形胞元至少由两层组成，每层由依次交替上下颠倒排布且相连接的多组外层三角形胞元组成，每层中相邻的外层三角形胞元共用一条第二斜杆，相邻层的外层三角形胞元上下颠倒相对并相互连接，相邻层中第二底杆相对的外层三角形胞元共用一条第二底杆。
12.在其中一个实施例中，所述中间三角形胞元至少由两层组成，每层由依次交替上下颠倒排布且相连接的多组中间三角形胞元组成，每层中相邻的中间三角形胞元共用一条第三斜杆，且中间三角形胞元的第三底杆分别与内层三角形胞元和外层三角形胞元共用第一底杆和第二底杆。
13.在其中一个实施例中，所述内侧胞元层与中间胞元层相互垂直，所述外侧胞元层与中间胞元层倾斜设置。
14.在其中一个实施例中，所述内层三角形胞元和外层三角形胞元均为等边三角形，所述中间三角形胞元为等腰三角形。
15.在其中一个实施例中，所述第一斜杆、第二斜杆及第三斜杆为因瓦合金材质，所述第一底杆、第二底杆及第三底杆为铝合金材质。
16.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
17.本实用新型的热膨胀自适应桁架支撑结构通过在内侧胞元层与外侧胞元层之间设置中间胞元层，由于内层平面胞元和外层平面胞元均为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，热应力产生的变形与热膨胀产生的变形相互抵消，使结构整体在高度方向上保持零膨胀。同时通过中间胞元层分别与内侧胞元层和外侧胞元层相连接，且中间平面胞元为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，由于中间胞元层的存在，在温度载荷下多材料热膨胀系数的不同所产生的热应力使结构发生变形，抵消材料由于本身热膨胀产生的变形，结构整体在水平方向上保持零膨胀的效果。从而使得本实用新型的热膨胀自适应桁架支撑结构在受到温度载荷时，内侧胞元层与外侧胞元层之间的间距能够保持不变，即能够实现径向方向上的零膨胀功能，将平面点阵复合材料组合形成三维结构，进而获得轻量化和高刚度的桁架支撑结构，有效提升航天器装备部件的热变形稳定性，满足卫星天线等支撑结构对高热稳定性的苛刻要求。
附图说明
18.图1为热膨胀自适应桁架支撑结构的示意图；
19.图2为热膨胀自适应桁架支撑结构的俯视图；
20.图3为热膨胀自适应圆柱壳桁架平台的示意图；
21.图4为热膨胀自适应桁架支撑结构空间卷曲后的示意图；
22.图5为内层三角形胞元和外层三角形胞元的几何参数示意图；
23.图6为实施例一中底层中间三角形胞元的几何参数示意图；
24.图7为实施例一中中层中间三角形胞元的几何参数示意图；
25.图8为实施例一中顶层中间三角形胞元的几何参数示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。
27.如图1和图2所示，本实用新型提供了一种热膨胀自适应桁架支撑结构，包括内侧胞元层10、外侧胞元层20及中间胞元层30，所述内侧胞元层10包括阵列排布且相互连接的内层平面胞元11，所述内层平面胞元11为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，所述外侧胞元层20包括阵列排布且相互连接的外层平面胞元21，所述外层平面胞元21为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，所述中间胞元层30包括设于内侧胞元层10与外侧胞元层20之间并分别与内侧胞元层10和外侧胞元层20相连接的中间平面胞元31，所述中间平面胞元31为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，供内侧胞元层10与外侧胞元层20之间的间距受到温度载荷时保持不变。
28.本实用新型的热膨胀自适应桁架支撑结构通过在内侧胞元层10与外侧胞元层20之间设置中间胞元层30，由于内层平面胞元11和外层平面胞元21均为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，热应力产生的变形与热膨胀产生的变形相互抵
消，使结构整体在高度方向上保持零膨胀。同时通过中间胞元层30分别与内侧胞元层10和外侧胞元层20相连接，且中间平面胞元31为由至少三根具有不同热膨胀系数杆件连接而成的多边形框架，由于中间胞元层30的存在，在温度载荷下多材料热膨胀系数的不同所产生的热应力使结构发生变形，抵消材料由于本身热膨胀产生的变形，结构整体在水平方向上保持零膨胀的效果，从而使得本实用新型的热膨胀自适应桁架支撑结构在受到温度载荷时，内侧胞元层10与外侧胞元层20之间的间距能够保持不变，即能够实现径向方向上的零膨胀功能。
29.在其中一个实施例中，所述内层平面胞元11为内层三角形胞元111，所述内层三角形胞元111由两组第一斜杆1111与一组第一底杆1112连接而成，所述第一斜杆1111与第一底杆1112的热膨胀系数不同。
30.通过将内层平面胞元11设置为内层三角形胞元111，并且第一斜杆1111和第一底杆1112采用不同的材料，以获得不同的热膨胀系数，通过对两种具有不同热膨胀系数的材料进行复合，利用二者之间的热变形失配引起结构内部非协调变形，从而使内层平面胞元11在高度方向上保持零膨胀。内层平面胞元11并不限定于三角形结构，还可采用其他本领域已知的具有零膨胀功能的多边形结构，本实施例中内层平面胞元11采用三角形结构在具备高度方向的零膨胀功能的同时，还具有稳固的结构强度。
31.在其中一个实施例中，所述内层三角形胞元111至少由两层组成，每层由依次交替上下颠倒排布且相连接的多组内层三角形胞元111组成，每层中相邻的内层三角形胞元111共用一条第一斜杆1111，相邻层的内层三角形胞元111上下颠倒相对并相互连接，相邻层中第一底杆1112相对的内层三角形胞元111共用一条第一底杆1112。
32.内层三角形胞元111可由多层组成，每层又由多组内层三角形胞元111构成，从而可根据需要设置合适层数和数量的内层三角形胞元111。
33.在其中一个实施例中，所述外层平面胞元21为外层三角形胞元211，所述外层三角形胞元211由两组第二斜杆2111与一组第二底杆2112连接而成，所述第二斜杆2111与第二底杆2112的热膨胀系数不同。
34.通过将外层平面胞元21设置为外层三角形胞元211，并且第二斜杆2111和第二底杆2112采用不同的材料，以获得不同的热膨胀系数，通过对两种具有不同热膨胀系数的材料进行复合，利用二者之间的热变形失配引起结构内部非协调变形，从而使外层平面胞元21在高度方向上保持零膨胀。外层平面胞元21并不限定于三角形结构，还可采用其他本领域已知的具有零膨胀功能的多边形结构，本实施例中外层平面胞元21采用三角形结构在具备高度方向的零膨胀功能的同时，还具有稳固的结构强度。
35.在其中一个实施例中，所述外层三角形胞元211至少由两层组成，每层由依次交替上下颠倒排布且相连接的多组外层三角形胞元211组成，每层中相邻的外层三角形胞元211共用一条第二斜杆2111，相邻层的外层三角形胞元211上下颠倒相对并相互连接，相邻层中第二底杆2112相对的外层三角形胞元211共用一条第二底杆2112。
36.外层三角形胞元211可由多层组成，每层又由多组外层三角形胞元211构成，从而可根据需要设置合适层数和数量的外层三角形胞元211。
37.在其中一个实施例中，所述中间平面胞元31为中间三角形胞元311，所述中间三角形胞元311由两组第三斜杆3111与一组第三底杆3112连接而成，所述第三斜杆3111与第三
底杆3112的热膨胀系数不同。
38.通过将中间平面胞元31设置为中间三角形胞元311，并且第三斜杆3111和第三底杆3112采用不同的材料，以获得不同的热膨胀系数，通过对两种具有不同热膨胀系数的材料进行复合，利用二者之间的热变形失配引起结构内部非协调变形，从而使中间平面胞元31在高度方向上保持零膨胀。中间平面胞元31并不限定于三角形结构，还可采用其他本领域已知的具有零膨胀功能的多边形结构，本实施例中中间平面胞元31采用三角形结构在具备高度方向的零膨胀功能的同时，还具有稳固的结构强度。在本实施例中，所述第一斜杆1111、第二斜杆2111及第三斜杆3111采用因瓦合金材质，所述第一底杆1112、第二底杆2112及第三底杆3112采用铝合金材质，以获得不同的热膨胀系数。
39.在其中一个实施例中，所述中间三角形胞元311至少由两层组成，每层由依次交替上下颠倒排布且相连接的多组中间三角形胞元311组成，每层中相邻的中间三角形胞元311共用一条第三斜杆3111，且中间三角形胞元311的第三底杆3112分别与内层三角形胞元111和外层三角形胞元211共用第一底杆1112和第二底杆2112。
40.中间三角形胞元311可由多层组成，每层又由多组中间三角形胞元311构成，从而可根据需要设置合适层数和数量的中间三角形胞元311。
41.在其中一个实施例中，所述内侧胞元层10与中间胞元层30相互垂直，所述外侧胞元层20与中间胞元层30倾斜设置。
42.内侧胞元层10与中间胞元层30、外侧胞元层20与中间胞元层30可根据所需的桁架支撑结构形状设置为不同的角度。
43.在其中一个实施例中，所述内层三角形胞元111和外层三角形胞元211均为等边三角形，所述中间三角形胞元311为等腰三角形。
44.将内层三角形胞元111和外层三角形胞元211设为等边三角形，将中间三角形胞元311设为等腰三角形，使得内层三角形胞元111、外层三角形胞元211和中间三角形胞元311应力分布更加均匀合理，从而获得更稳固的零膨胀连接结构，并且使得内层三角形胞元111、外层三角形胞元211和中间三角形胞元311便于加工和连接。
45.如图3和图4所示，本实用新型还提供了一种热膨胀自适应圆柱壳桁架平台，包括所述的热膨胀自适应桁架支撑结构，所述多组热膨胀自适应桁架支撑结构依次相连接，并绕同一轴线空间卷曲形成横截面为封闭环形的筒状结构，以形成能够沿筒状结构高度方向及径向方向零膨胀的结构。
46.将多组热膨胀自适应桁架支撑结构依次相连接，并绕同一轴线空间卷曲形成横截面为封闭环形的筒状结构，从而形成能够沿筒状结构高度方向及径向方向零膨胀的结构，进而获得轻量化和高刚度的圆柱壳桁架平台，有效提升航天器装备部件的热变形稳定性，满足卫星天线等支撑结构对高热稳定性的苛刻要求。
47.实施例一.本实用新型还提供一种热膨胀自适应圆柱壳桁架平台的设计制作方法，包括以下步骤：
48.所述热膨胀自适应圆柱壳桁架平台由10组相互连接的热膨胀自适应桁架支撑结构组成，每组热膨胀自适应桁架支撑结构如图1所示，内层三角形胞元111和外层三角形胞元211分别由两层组成，中间三角形胞元311由底层、中层和顶层三层组成。
49.步骤一.选材。热膨胀自适应桁架支撑结构选用铝合金和因瓦合金的双材料体系，
铝合金热膨胀系数α1＝2.4
×
10-5
/℃，弹性模量e＝71gpa，泊松比μ1＝0.3；因瓦合金热膨胀系数α2＝1.2
×
10-6
/℃，弹性模量e2＝144gpa，泊松比μ2＝0.29。
50.步骤二.桁架几何参数设计。如图5所示，内层三角形胞元111的第一底杆1112和外层三角形胞元211的第二底杆2112的热膨胀系数为α1，长度为l1，第一斜杆1111和第二斜杆2111的热膨胀系数为α2，长度为l2；如图6至图8所示，底层、中层和顶层的中间三角形胞元311的第三底杆3112的长度为l
b1
＝l
m1
＝l
t1
＝l1，第三斜杆3111的长度为l
b2
，l
m2
，l
t2
，第三底杆3112与第三斜杆3111的夹角分别为θb，θm，θ
t
；第一底杆1112与第一斜杆1111之间的夹角、第二底杆2112与第二斜杆2111之间的夹角均为θ，外侧胞元层20的倾斜角度(即外侧胞元层20与中间胞元层30之间的夹角)为γ，桁架结构需满足以下函数关系式：
[0051][0052]
θb＝θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0053]
l
b2
＝l2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
θm＝arctantanθ(1-cotγ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0055][0056]
θ
t
＝arctantanθ(1-2cotγ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0057][0058]
步骤三.桁架立方内侧胞元层10的结构设计。组成内侧胞元层10的内层三角形胞元111设为等边三角形，角度θ＝60
°
，内层三角形胞元111的第一底杆1112和第一斜杆1111的热膨胀系数分别为α1和α2，长度为l1＝l2＝9.17mm。
[0059]
步骤四.桁架立方外侧胞元层20的结构设计。组成外侧胞元层20的外层三角形胞元211的形状、大小和材料选取与内侧胞元层10相同，外侧胞元层20的倾斜角度γ＝75
°
。
[0060]
步骤五.桁架立方中间胞元层30的结构设计。根据式(1)-(7)可以得到底层、中层和顶层的中间三角形胞元311的第三底杆3112的长度l
b1
＝l
m1
＝l
t1
＝l1＝9.17mm，底层、中层和顶层的中间三角形胞元311的第三斜杆3111长度l
b2
＝9.17mm，l
m2
＝7.4mm，l
t2
＝5.88mm，底层、中层和顶层的中间三角形胞元311的第三底杆3112与第三斜杆3111的夹角分别为θb＝60
°
，θm＝53
°
，θ
t
＝42
°
，第三底杆3112的热膨胀系数为α1，第三斜杆3111的热膨胀系数为α2。
[0061]
步骤六.将10组相互连接的热膨胀自适应桁架支撑结构绕同一轴线空间卷曲形成横截面为封闭环形的筒状结构，最终得到如图3所示的热膨胀自适应圆柱壳桁架平台。
[0062]
步骤七.将得到的热膨胀自适应圆柱壳桁架平台模型导入有限元软件abaqus中，加载200℃温度载荷后，对加载温度载荷前后结构的变形情况进行对比，对比结果显示结构的整体径向和高度方向尺寸大小未发生变化，从而实现了径向和高度方向的双向零膨胀功能。
[0063]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。