一种快速搭建张拉整体结构的辅助工具、设计方法及应用

技术领域

本发明属于零件结构造型制造领域，具体涉及一种快速搭建张拉整体结构的辅助工具、设计方法及应用。

背景技术

张拉整体结构既具有传统刚性结构的优点，也具有柔性结构的自我保护能力的特性，该结构可利用自身形变，产生多类结构构型，在建筑学领域可作为基本结构来制作变结构建筑，有着较大的发展潜能。张拉整体结构有广泛应用，如基于两杆张整体结构的可展机构设计、基于张拉整体结构的可移动折纸机器人结构设计、基于多稳态张拉整体结构的跳跃运动系统。这种空间结构体系已成为空间结构领域中最前沿的课题。

但是由于张拉整体式结构原理的认知普及度较低，因此，针对最基本的简单结构也难以实现徒手搭建，在张拉整体结构的搭建过程中，因空间结构的复杂性，各个杆件均会受到不同方向的受力，进而也需要老师和学生不断保证杆件的空间位置不变，同时还要腾出手继续增加需要固定的杆件，直至各部分受力平衡形成稳定结构。因此，如何在张拉整体结构中确定并构建可以实现其结构快速搭建的工具成为需要的技术问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种快速搭建张拉整体结构的辅助工具、设计方法及应用，用于解决现有技术中存在的上述问题。

一种快速搭建张拉整体结构的辅助工具的设计方法，所述方法包括如下步骤：

S1.确定张拉整体结构中的受压杆件的三维空间位置；

S2.确定所述杆件中心位置作为辅助工具连接点；

S3.将所有连接点中的某一点作为中心连接点，采用连接件将所述中心连接点与其它各连接点进行连接；

S4.在所述其它各个连接点上设置夹持件。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述受压杆件的直径d1为8mm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当所有连接点处于同一平面时，采用轴体从中心连接各点；当所有连接点在不同平面时，根据构成的平面角度选择肋板搭配轴体进行连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述夹持件为直径为2d1的球体结构，在该球体结构上设置有凹槽，用于夹持受压杆件。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述凹槽的开口方向根据其所在连接点相对于中心连接点的朝向不同而不同。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，包括采用圆角和肋板来连接各个连接点，所述圆角设置在夹持件与轴体或所述肋板的连接处，以及所述肋板的外侧直角边。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述连接点为三个时，采用三个圆柱体作为连接件连接各个连接点，并在三个柱体交会处增设肋板。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述连接点为四个且处于同一平面时，其中一连接点处于中心位置作为中心连接点；采用轴体结构作为连接件将外围三个连接点直接相连形成三角框，然后任选所述三角框的一边中点连接所述中心连接点。

本发明还提供了一种快速搭建张拉整体结构的辅助工具，所述辅助工具采用所述的设计方法设计获得。

本发明还提供了所述的辅助工具在快速搭建张拉整体结构的应用，所述辅助工具在搭建完成张拉整体结构后可完整抽出。

本发明的有益效果

与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

本发明的快速搭建张拉整体结构的辅助工具的设计方法，包括如下步骤：确定张拉整体结构中的受压杆件的三维空间位置；确定所述杆件中心位置作为辅助工具连接点；将所有连接点中的某一点作为中心连接点，采用连接件将所述中心连接点与其它各连接点进行连接；在所述其它各个连接点上设置夹持件。本发明针对特定的张拉整体结构产生适配的快速搭建工具，充分了考虑连接点快速安装拆卸问题以及各部分受力稳定性问题，得到了符合机械设计原理及满足用户行为习惯的构建方法。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的辅助工具为6个连接点的示意图；

图3为本发明的辅助工具为3个连接点且中心位置明确的示意图；

图4为本发明的辅助工具为4个连接点的示意图；

图5为本发明的辅助工具为3个连接点且中心位置不明确的示意图；

图6为本发明的辅助工具搭建张拉整体结构的示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

如图1所示为本发明的方法流程示意图，本发明的快速搭建张拉整体结构的辅助工具的设计方法，所述方法包括如下步骤：

S1.确定张拉整体结构中的受压杆件的三维空间位置；

S2.确定所述杆件中心位置作为辅助工具连接点；

S3.将所有连接点中的某一点作为中心连接点，采用连接件将所述中心连接点与其它各连接点进行连接；

S4.在所述其它各个连接点上设置夹持件。

优选地，所述受压杆件的直径d1为8mm。

优选地，当所有连接点处于同一平面时，采用轴体从中心连接各点；当所有连接点在不同平面时，根据构成的平面角度选择肋板搭配轴体进行连接。

优选地，所述夹持件为直径为2d1的球体结构，在该球体结构上设置有凹槽，用于夹持受压杆件。

优选地，所述凹槽的开口方向根据其所在连接点相对于中心连接点的朝向不同而不同。。

优选地，包括采用圆角和肋板来连接各个连接点，所述圆角设置在夹持件与轴体或所述肋板的连接处，以及所述肋板的外侧直角边。

优选地，所述连接点为三个时，采用三个圆柱体作为连接件连接各个连接点，并在三个柱体交会处增设肋板。

优选地，所述连接点为四个且处于同一平面时，其中一连接点处于中心位置作为中心连接点；采用轴体结构作为连接件将外围三个连接点直接相连形成三角框，然后任选所述三角框的一边中点连接所述中心连接点。

具体地，本发明首先确定张拉整体结构中的受压杆件，受压杆件的长度为l：120mm，两端开十字凹槽，常规部分为圆柱直径d1：8mm，1/3至1/2的特殊部分为顶面直径d2：5mm与底面直径d3：8mm的圆台，自然状态下的三维空间位置；然后确定杆件中心位置，即为辅助工具连接点，跟据连接点位置不同进行结构选择：(1)当所有连接点处于同一平面时，采用圆柱体作为连接件从中心连接各点(当中心位置有连接点或中心位置不好确认时，也可以从所有连接点形成对称图形的对称轴上选定一点连接于各连接点或直接用轴体将各连接点相连)；(2)当连接点不在同一平面时，根据构成的平面角度选择合适肋板对轴体进行连接；而后确定在连接点处设置夹持件，夹持件为直径为2d1的球体结构，在该球体结构上设置有凹槽，用于夹持受压杆件，并在球体结构上挖出一个直径略小于杆件直径的凹槽，再根据凹槽开口方向和该连接点相对中心连接点的朝向相同的关系确定开口方向；最后根据辅助工具使用时的受力方向对其添加肋板，如当出现两个轴体连接件所形成的角度大于等于90度时，在该两轴体间增设肋板，及圆角，其设置在夹持件与轴体或肋板的连接处，以及肋板外侧直角边。

本发明的步骤为：选择基本张拉整体结构，不同的张拉整体结构不制作不同的辅助工具来进行安装辅助；

a)定位接点，根据所有受压硬性杆件空间位置确定其中心连接点。让张拉整体结构保持不受外力呈现自然状态，根据组成张拉整体结构的各受压杆件的两端点位置确定中心连接点，即辅助工具与杆件的连接位置，作为辅助工具的连接点。如图6圈出部分即为六杆张拉整体结构与辅助工具的连接位置。

b)根据连接点的相对位置，确定各点连接方式，即选定辅助工具的连接点的结构。当确定的所有连接点处于同一平面时，确定其中一个连接点作为中心连接点，(1)中心位置明显且未与连接点重合，采用直径(d1-2)mm的圆柱体从中心连接点连接至各连接点，如图3结构的连接方式。(2)当中心位置与连接点重合或中心位置不明显难以确定时，直接用直径(d1-2)的圆柱体将各连接点相连，如图4结构的连接方式；也可以从对称轴上选定一点连接于各连接点，如图5结构的连接方式。(3)当连接点不在同一平面时，将结构中心(空间中各连接点构成的形体的中心位置)与连接点通过轴体相连，通过肋板将所有相邻轴体相连，如图2结构的连接方式，结构中心与6个连接点形成6条轴体，相邻两条轴体通过肋板相连，共由12个肋板组成。

c)确定连接点处球形保护结构及布置卡槽。对连接点处设置直径为2d1的球体结构，并根据杆件的摆放位置确定球体结构上柱形开孔方向，同时，球体结构的开槽位置相对于结构中心在外侧。以图2为例，因其张拉整体结构中各受压杆件相互垂直，各球体柱形开孔方向也相互垂直，同时开槽位置均相对于中心在外侧。以图3为例，因其张拉整体结构中各杆件呈螺旋状分布，故各受压杆件受合力垂直杆件指向中心，球形开孔也呈螺旋状分布，开槽位置相对于中心在外侧。

d)添加圆角及肋板增加结构稳定性。针对通过圆柱体连接各点的情况，在相邻两圆柱体中设计厚度为(d1/2-1)mm的肋板。以图3为例，设计三处辅助肋板在各圆柱体连接杆之间，增加辅助工具的稳定性，最后得到辅助工具。

图2所示是由6个杆件组成的张拉整体结构的快速拼接辅助工具，其受压杆件较多，连接点大于3个，因此选择了大量肋板作为各点连接方式，连接处的开槽位置相对于结构中心在外侧。

图3是由3个杆件组成的张拉整体结构的快速拼接辅助工具，该结构搭建时的连接点仅有三个，在三个点所构成的正三角形中，其中心点位置可以明确确定，因此采用三个圆柱体相连接；其次，考虑中心连接处牢固性问题，三个柱体交会处增设肋板以增加零件稳定性，最后根据杆件与结构中心的相对位置确定卡槽结构。

图4是由4个杆件组成的张拉整体结构的快速拼接辅助工具，该结构的搭建时的连接点有4个，但全部处于同一平面，但有一连接点占据中心位置，故采用轴体结构将外围三个连接点直接相连形成三角框，接着任选一边中点于结构中心点相连，而后增加肋板提高工具稳定性，最后根据杆件与结构中心的相对位置确定卡槽结构。

图5是由3个杆件组成的张拉整体结构的快速拼接辅助工具，该结构搭建时的连接点仅有三个，但中心位置难以确定，但对称性较强，故选对称轴上一点连接只各球形保护体；其次，考虑中心连接处牢固性问题，三个柱体交会处增设肋板以增加零件稳定性，最后根据杆件与结构中心的相对位置确定卡槽结构。

本发明还提供了一种快速搭建张拉整体结构的辅助工具，所述辅助工具采用本发明所述的设计方法设计获得，如图2，图3，图4和图5所示。

本发明还提供了根据本发明的辅助工具在快速搭建张拉整体结构的应用，所述辅助工具在搭建完成张拉整体结构后可完整抽出，如图6所示，左图中六根受压杆件组合皮筋可搭建为右图中六杆张拉整体结构，各个杆件中间的部分即为本发明的辅助工具，圆圈圈起来的地方是工具与张拉整体结构的6个连接点，此张拉整体结构搭建完成后，辅助工具即可抽出。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。