CN110510097A - 一种大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点 - Google Patents

一种大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，涉及复合材料结构技术领域，包括：芯轴桁架顶端节点、毂轴端节点、毂盘、承力架、承压球窝和限位盖板；毂轴端节点的端部设置凸台承压面，毂盘和承力架连接凸台承压面，承压球窝连接承力架，芯轴桁架顶端节点和限位盖板连接承压球窝；芯轴桁架顶端节点包括节点主体、螺套嵌件、螺栓球铰；节点主体呈三棱锥结构，底边外伸三脚套管，用于连接CFRP管桁架；螺栓球铰的螺杆端连接螺套嵌件，球体端连接承压球窝，螺套嵌件嵌入节点主体。本发明可以实现芯轴复合材料结构复杂连接，可承受大轴压，释放弯矩，保证有限转动，传力路径清晰，运动限位明确，质量轻，制作简单，装配连接可靠。

Description

一种大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点
技术领域
本发明涉及复合材料结构技术领域，尤其涉及一种大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点。
背景技术
复合材料具有质量轻、刚度大、抗振和耐疲劳等优点，而薄壁圆管及其构成的桁架结构更具有可实现大尺度、轻质、高刚等特征，但是，桁架弦杆和腹杆连接节点，以及桁架构件之间的连接，由于几何、力学和工艺限制，一直是复合材料结构工程领域的技术难点。
Rainer Schütze&Hans Christian Goetting著“Carbonfiber-Based StructuralElements used in the Truss Structures of the Zeppelin NT and FutureApplications of Active Struts”(3rd International Airship Convention andExhibition,2000，Paper A-25)，介绍了Zeppelin NT飞艇龙骨两个纵向铝合金桁架、两个圆管CFRP三角撑桁梁之间的组合连接。
Rainer Schütze著“Lightweight carbon fiber rods and truss structures”(Materials&Design,1997,18(4/6)：231-238)，介绍了一种泡沫夹心管复合材料桁架，并详细介绍了一种复合材料节点设计及成形工艺，但是，成形工艺非常复杂，导致受力不可靠，承载小。
中国专利CN201910275705.7，一种大尺度半刚性结构飞艇，公开了一种主要由张拉整体龙骨构成的半刚性飞艇，其龙骨芯轴为连续接触型承压构件，由多段毂轴和芯轴桁架铰接而成，此铰接可释放双向弯矩和承受较小限位扭矩，主要承受较大压力和较小转动，但是，该专利没有给出具体型式和连接。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，其具有制作简洁、受力和传力合理、连接简单可靠的优点，以解决现有技术存在的复合材料结构连接构型复杂、制作困难、承载力小的问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有技术存在复合材料结构连接构型复杂、制作困难、承载力小的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，包括：芯轴桁架顶端节点、毂轴端节点、毂盘、承力架、承压球窝和限位盖板；
所述毂轴端节点的端部设置有凸台承压面，所述毂盘设置外圆连接所述凸台承压面，所述承力架设置内圆连接所述凸台承压面，所述承压球窝连接所述承力架，所述芯轴桁架顶端节点连接所述承压球窝，所述限位盖板连接所述承压球窝；
所述芯轴桁架顶端节点包括节点主体、螺套嵌件、螺栓球铰；所述节点主体呈三棱锥结构，顶端设置有六棱柱中心体，所述节点主体的三个棱交汇连接至所述六棱柱中心体；所述节点主体的底边呈正三角形，所述底边外伸三脚套管，所述三脚套管用于连接CFRP管桁架的三个弦管；所述螺栓球铰的螺杆端连接所述螺套嵌件，所述螺栓球铰的球体端连接所述承压球窝，所述螺套嵌件嵌入所述六棱柱中心体。
进一步地，所述三脚套管的外表设有竖向均匀凹槽，所述三脚套管套入连接所述三个弦管，连接方式为胶结，所述弦管的胶结段局部加厚。
进一步地，所述毂盘的环向均匀设置有径向拉杆，所述径向拉杆与所述毂盘连接。
进一步地，所述承压球窝呈圆盘状，周圈为圆环平面板，中心为凹球冠壳，内承压面采用MoS2溅射处理。
进一步地，所述承力架包括两个平行相对设置的圆环板，两个所述圆环板之间沿环向均匀设置肋板进行连接，所述肋板垂直于所述圆环板，所述肋板的数量大于6个。
进一步地，所述限位盖板由对称的两部分拼合而成，外圈呈圆形，中间呈六边形。
进一步地，所述毂轴端节点、所述毂盘、所述承力架的连接面为间隙配合。
进一步地，所述螺栓球铰的球体面采用MoS2溅射处理。
进一步地，所述毂轴端节点、所述限位盖板由CFRP复合材料制成，所述承力架、所述承压球窝、所述螺栓球铰、所述螺套嵌件由钛合金制成，所述节点主体、所述六棱柱中心体、所述三脚套管、所述毂盘由铝合金制成；所述节点主体、所述六棱柱中心体、所述三脚套管、所述承力架、所述承压球窝为一体成型。
进一步地，所述径向拉杆由CFRP复合材料制成。
本发明可以实现大尺度弹性支承芯轴复合材料结构复杂连接，可承受大轴压，释放弯矩，保证有限转动，传力路径清晰，运动限位明确，质量轻，制作简单，装配连接可靠，可应用于大型航空飞行器结构，如飞艇、无人机等。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点立面分解图；
图2是本发明的一个较佳实施例的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点三维分解图；
图3本发明的一个较佳实施例的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点剖视图；
图4是本发明的一个较佳实施例的芯轴桁架顶端节点三维分解图。
其中，1-芯轴桁架顶端节点，101-节点主体，102-螺套嵌件，103-螺栓球铰，104-CFRP管桁架，105-三脚套管，106-六棱柱中心体，2-毂轴端节点，21-凸台承压面，3-毂盘，4-承力架，5-承压球窝，6-限位盖板，7-径向拉杆。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1、图2和图3所示，本实施例中的一种大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，包括：芯轴桁架顶端节点1、毂轴端节点2、毂盘3、承力架4、承压球窝5、限位盖板6。毂轴端节点2的端部设置有凸台承压面21，毂盘3设置外圆连接凸台承压面21，承力架4设置内圆连接凸台承压面21，承压球窝5连接承力架4，芯轴桁架顶端节点1连接承压球窝5，限位盖板6连接承压球窝5。毂轴端节点2、毂盘3、承力架4的连接面为间隙配合。
如图4所示，芯轴桁架顶端节点1包括节点主体101、螺套嵌件102、螺栓球铰103；节点主体101呈三棱锥结构，顶端设置有六棱柱中心体106，节点主体101的三个棱交汇连接至六棱柱中心体106；节点主体101的底边呈正三角形，从底边外伸三脚套管105，用于连接CFRP管桁架104的三个弦管；螺栓球铰103的螺杆端连接螺套嵌件102，螺栓球铰103的球体端连接承压球窝5，螺套嵌件102嵌入六棱柱中心体106。螺栓球铰103的球体端的球面采用MoS2溅射处理。
三脚套管105的外表设有竖向均匀凹槽，通过铣加工得到；三脚套管105套入连接CFRP管桁架104的三个弦管，连接方式是胶结，优选地，弦管的胶结部位可局部加厚，以达到更问稳定的胶结效果。
在毂盘3的环向均匀设置有径向拉杆7，径向拉杆7与毂盘3连接，用于提供弹性支承。
承压球窝5呈圆盘状，周圈为圆环平面板，中心为凹球冠壳，内承压面进行MoS2溅射处理。
承力架4为两层圆环笼状结构，具体地，将两块圆环板相对设置，且两块圆环板平行，在两块圆环板之间用沿其环向均匀设置的肋板连接，肋板与圆环板垂直，为了达到更好的承力效果，肋板数量优选地大于6个。
限位盖板6由对称的两部分拼合而成，外圈呈圆形，中间呈六边形。
毂轴端节点2、限位盖板6、径向拉杆7均为CFRP高性能复合材料制成，承力架4、承压球窝5、螺栓球铰103、螺套嵌件102均由高强轻质钛合金制成，节点主体101、三脚套管105和毂盘3均由高强轻质铝合金制成。
节点主体101、六棱柱中心体106、三脚套管105、承力架4、承压球窝5均为整体加工成形。
本发明的结构尺寸、工艺设计可根据实际需求确定。复合材料薄壁管及其连接采用的碳纤维型号、树脂型号、铺层设计与成形工艺设计等可根据实际需求确定。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，其特征在于，包括：
芯轴桁架顶端节点、毂轴端节点、毂盘、承力架、承压球窝和限位盖板；
所述毂轴端节点的端部设置有凸台承压面，所述毂盘设置外圆连接所述凸台承压面，所述承力架设置内圆连接所述凸台承压面，所述承压球窝连接所述承力架，所述芯轴桁架顶端节点连接所述承压球窝，所述限位盖板连接所述承压球窝；
所述芯轴桁架顶端节点包括节点主体、螺套嵌件、螺栓球铰；所述节点主体呈三棱锥结构，顶端设置有六棱柱中心体，所述节点主体的三个棱交汇连接至所述六棱柱中心体；所述节点主体的底边呈正三角形，所述底边外伸三脚套管，所述三脚套管用于连接CFRP管桁架的三个弦管；所述螺栓球铰的螺杆端连接所述螺套嵌件，所述螺栓球铰的球体端连接所述承压球窝，所述螺套嵌件嵌入所述六棱柱中心体。
2.如权利要求1所述的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，其特征在于，所述三脚套管的外表设有竖向均匀凹槽，所述三脚套管套入连接所述三个弦管，连接方式为胶结，所述弦管的胶结段局部加厚。
3.如权利要求1所述的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，其特征在于，所述毂盘的环向均匀设置有径向拉杆，所述径向拉杆与所述毂盘连接。
4.如权利要求1所述的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，其特征在于，所述承压球窝呈圆盘状，周圈为圆环平面板，中心为凹球冠壳，内承压面采用MoS2溅射处理。
5.如权利要求1所述的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，其特征在于，所述承力架包括两个平行相对设置的圆环板，两个所述圆环板之间沿环向均匀设置肋板进行连接，所述肋板垂直于所述圆环板，所述肋板的数量大于6个。
6.如权利要求1所述的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，其特征在于，所述限位盖板由对称的两部分拼合而成，外圈呈圆形，中间呈六边形。
7.如权利要求1所述的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，其特征在于，所述毂轴端节点、所述毂盘、所述承力架的连接面为间隙配合。
8.如权利要求1所述的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，其特征在于，所述螺栓球铰的球体面采用MoS2溅射处理。
9.如权利要求1所述的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，其特征在于，所述毂轴端节点、所述限位盖板由CFRP复合材料制成，所述承力架、所述承压球窝、所述螺栓球铰、所述螺套嵌件由钛合金制成，所述节点主体、所述六棱柱中心体、所述三脚套管、所述毂盘由铝合金制成；所述节点主体、所述六棱柱中心体、所述三脚套管、所述承力架、所述承压球窝为一体成型。
10.如权利要求4所述的大型芯轴结构弹性支承球铰连接节点，其特征在于，所述径向拉杆由CFRP复合材料制成。
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