Космическая рамка - Space frame

Крыша промышленного здания поддерживается пространственной каркасной конструкцией.
Если к синему узлу приложена сила, а красная полоса отсутствует, поведение конструкции полностью зависит от жесткости синего узла на изгиб. Если присутствует красная полоса, а жесткость на изгиб синего узла пренебрежимо мала по сравнению с соответствующей жесткостью красной полосы, система может быть рассчитана с использованием матрицы жесткости без учета угловых факторов.

В архитектура и Строительная инженерия, а космический каркас или же космическая структура (3D ферма) - жесткая, легкая, ферма -подобная структура, построенная из взаимосвязанных стойки в геометрический шаблон. Космические рамы можно использовать для перекрытия больших площадей с небольшим количеством внутренних опор. Словно ферма пространственный каркас силен из-за присущей треугольнику жесткости; сгибание грузы (изгиб моменты ) передаются как напряжение и сжатие нагрузки по длине каждой стойки.

История

Александр Грэхем Белл с 1898 по 1908 год разработал космические рамки на основе геометрии тетраэдра.[1][2] В первую очередь Белл интересовался их использованием для изготовления жестких рам для морской и авиационной техники. четырехгранная ферма являясь одним из его изобретений. Д-р инж. Макс Менгерингхаузен разработал космическую сетку под названием MERO (акроним от МНЕNgeringhausen ROHrbauweise) в 1943 году в Германии, положив начало использованию космических ферм в архитектуре.[3] В широко используемом методе, который до сих пор используется, отдельные трубчатые элементы соединяются в узловых соединениях (в форме шара), а также в различных вариантах, таких как система космической палубы, система октетной фермы и кубическая система. Стефан де Шато во Франции изобрел трехстороннюю систему SDC (1957), систему Unibat (1959), Pyramitec (1960).[4][5] Для замены отдельных столбцов был разработан метод опор деревьев.[6] Бакминстер Фуллер запатентовал октетную ферму в 1961 году[7] сосредоточив внимание на архитектурный конструкции.

Методы проектирования

Космические рамы обычно проектируются с использованием матрица жесткости. Особая характеристика матрица жесткости в архитектурном пространстве каркаса - независимость угловых факторов. Если соединения достаточно жесткие, угловыми прогибами можно пренебречь, что упростит расчеты.

Обзор

Упрощенная пространственная каркасная крыша с полуоктаэдром, выделенным синим цветом

Самая простая форма космического каркаса - это горизонтальная плита замкового соединения. квадратные пирамиды и тетраэдры построен из алюминий или трубчатый сталь стойки. Во многом это похоже на то, что горизонтальная стрела башенного крана повторяется много раз, чтобы сделать ее шире. Более сильная форма состоит из взаимосвязанных тетраэдры в котором все стойки имеют единичную длину. Более технически это называется изотропной векторной матрицей или октетной фермой с единичной шириной. Более сложные варианты изменяют длину распорок для изгиба всей конструкции или могут включать другие геометрические формы.

Типы

С точки зрения пространственной рамки мы можем найти три системы, явно разные между ними:[8]

Классификация кривизны

  • Покрытия космической плоскости: эти пространственные структуры состоят из плоских подструктур. Их поведение похоже на поведение пластины, в которой отклонения в плоскости передаются через горизонтальные стержни, а поперечные силы поддерживаются диагоналями.[9]
Этот вокзал поддерживается структурой цилиндрического свода.
  • Бочковые своды: этот тип хранилища имеет поперечное сечение простой арки. Обычно этот тип пространственного каркаса не требует использования тетраэдрических модулей или пирамид в качестве основы.
  • Сферические купола и другие сложные кривые обычно требуют использования тетраэдрических модулей или пирамид и дополнительной поддержки из обшивки.

Классификация по расположению ее элементов

  • Однослойная сетка: все элементы расположены на аппроксимируемой поверхности.
  • Двухслойная сетка: элементы организованы в два слоя, параллельные друг другу на определенном расстоянии друг от друга. Каждый из слоев образует решетку из треугольников, квадратов или шестиугольников, в которой проекции узлов в слое могут перекрываться или смещаться друг относительно друга. Диагональные стержни соединяют узлы обоих слоев в разных направлениях в пространстве. В сетках этого типа элементы объединены в три группы: верхний кордон, кордон и нижний диагональный кордон.
  • Трехслойная сетка: элементы размещаются в трех параллельных слоях, связанных диагоналями. Они почти всегда плоские.

Другие примеры, классифицируемые как космические рамки, следующие:

  • Плиссированные металлические конструкции: возникли, чтобы попытаться решить проблемы, с которыми сталкивались опалубка и заливка бетона. Обычно работают со сварным швом, но могут подниматься сборные швы, что делает их пространственными сетками.
  • Подвесные крышки: конструкции на натянутом кабеле, корешке и цепная арка антифуникулеры демонстрируют свою способность направлять силы теоретически лучше, чем любые другие альтернативы, имеют бесконечный диапазон возможностей для композиции и приспособляемости к любому типу растительного покрова или гарантируют тщетность. Однако неточность формы при нагруженной пряди (в идеале динамически адаптируется к состоянию заряда) и риск изгиба дуги из-за неожиданных напряжений - это проблемы, которые требуют элементов предварительного сжатия и предварительного напряжения. Хотя в большинстве случаев это самые дешевые и технические решения, которые лучше всего подходят для акустики и вентиляции закрытого корпуса, подвержены вибрации.
  • Пневматические конструкции: укупорочные мембраны, находящиеся под давлением, могут рассматриваться в этой группе.

Приложения

  • Промышленные здания, заводы
  • Спортивные залы
  • Склады
  • Бассейны
  • Конференц-залы и выставочные центры
  • Стадионы с большой протяженностью
  • Музейные и ярмарочные дома
  • Торговые центры и моллы
  • Аэропорты и навес
  • Мечеть
  • Атриум

Строительство

Космические рамы - обычное дело в современном строительстве; они часто встречаются в больших пролетах крыши в модернист коммерческие и промышленные здания.

Примеры построек, основанных на космических каркасах, включают:

Большие переносные сцены и освещение порталы также часто строятся из пространственных рам и октетных ферм.

Транспортные средства

Рамы Yeoman YA-1 и CA-6 Wackett.

Самолет

В CAC CA-6 Wackett и Yeoman YA-1 Cropmaster 250R Самолеты были построены с использованием примерно такого же сварного стального каркаса фюзеляжа.

Легковые автомобили

Космические рамы иногда используются в конструкциях шасси автомобили и мотоциклы. Как в космической раме, так и в шасси с трубчатой ​​рамой, панели подвески, двигателя и кузова прикреплены к каркасу из труб, и панели кузова имеют небольшую структурную функцию или не выполняют ее. Напротив, в цельный или же монокок конструкции, корпус служит частью конструкции.

Трубчато-рамное шасси предшествовало космическому шасси и является развитием более раннего лестничное шасси. Преимущество использования трубок по сравнению с предыдущими секциями открытых каналов состоит в том, что они сопротивляются крутильный сил лучше. Некоторые трубчатые шасси были немногим более лестничного шасси, сделанного из двух труб большого диаметра или даже одной трубы в качестве магистральное шасси. Хотя многие трубчатые шасси имели дополнительные трубы и даже были описаны как «космические рамы», их конструкция редко правильно подчеркивалась как космическая рама, и они вели себя механически как шасси с трубчатой ​​лестницей с дополнительными кронштейнами для поддержки прикрепленных компонентов, подвески, двигателя и т. Д. • Настоящая пространственная рама отличается тем, что все силы в каждой стойке являются либо растягивающими, либо сжимающими, а не изгибающимися.[10] Хотя эти дополнительные трубы действительно несли дополнительную нагрузку, они редко диагонализовались в жесткую пространственную раму.[10]

Первые шасси с настоящей космической рамой были произведены в 1930-х годах такими дизайнерами, как Бакминстер Фуллер и Уильям Бушнелл Стаут (в Димаксион и Крепкий скарабей ), которые понимали теорию истинного космического каркаса либо из архитектуры, либо из конструкции самолета.[11]

Первым гоночным автомобилем, который попытался создать космическую раму, был Cisitalia D46 1946 г.[11] В нем использовались две трубки небольшого диаметра вдоль каждой стороны, но они были разделены вертикальными трубками меньшего размера, и поэтому не были диагонализованы ни в одной плоскости. Год спустя Porsche разработал свой Тип 360 за Cisitalia. Поскольку в него входили диагональные трубы, его можно считать первым настоящим космическим каркасом.[11]

Рама Jaguar C-Type

Maserati Tipo 61 1959 года (Birdcage) часто считают первым, но в 1949 году Д-р Роберт Эберан-Эберхорст разработал Джоуэтт Юпитер выставлялись в том году Лондонский автосалон; Jowett одержал победу в классе на 24-часовой гонке в Ле-Мане 1950 года. Потом, TVR, небольшие британские производители автомобилей разработали концепцию и выпустили двухместную машину с легкосплавным кузовом на многотрубном шасси, которая появилась в 1949 году.

Колин Чепмен из Лотос представил свой первый серийный автомобиль, Марк VI, в 1952 году. На это повлияли Ягуар С-Тип шасси, другое с четырьмя трубками двух разных диаметров, разделенных более узкими трубками. Чепмен уменьшил диаметр основной трубки для более легкого Lotus, но не стал уменьшать дополнительные трубки, возможно, потому, что он считал, что это будет непросто для покупателей.[10] Хотя Lotus широко описывается как космический каркас, он не создавал настоящего космического шасси до тех пор, пока Марк VIII, под влиянием других конструкторов, имеющих опыт работы в авиастроении.[10]

Другие известные примеры автомобилей с космической рамой включают Audi A8, Audi R8, Феррари 360, Lamborghini Gallardo, Мерседес-Бенц SLS AMG, Понтиак Фиеро и Saturn S-Series.

Чилийский киткар демонстрирует свою пространственную рамную конструкцию (2013 г.).

Большое количество комплект машин, возможно, большинство из них, произведенных в Великобритании, используют космическую каркасную конструкцию, потому что производство в небольших количествах требует только простых и недорогих приспособления, и конструктору-любителю относительно легко добиться хорошей жесткости с помощью пространственной рамы. Обычно космические рамки МИГ сварные, хотя в более дорогих комплектах часто используются TIG сварка, более медленный и более квалифицированный процесс. Многие из них напоминают Lotus Mark VII в общих чертах и ​​механической компоновке, однако другие являются точными копиями модели. AC Cobra или итальянский суперкары, но некоторые из них имеют оригинальный дизайн, не похожий ни на один другой автомобиль. Часто конструкторы прилагали значительные усилия для создания настоящих пространственных рам, в которых все точки значительных нагрузок были закреплены в трех измерениях, в результате чего прочность и жесткость были сопоставимы с типичными серийными автомобилями или даже превосходили их. Другие представляют собой трубчатые рамы, но не настоящие пространственные рамы, потому что в них используются трубы относительно большого диаметра, часто изогнутые, которые несут изгибающие нагрузки, но из-за большого диаметра остаются достаточно жесткими. Однако некоторые низкокачественные конструкции не являются настоящими космическими каркасами, поскольку трубы несут значительные изгибающие нагрузки. Это приведет к значительному изгибу из-за динамических нагрузок и, в конечном итоге, усталость перелом, механизм отказа, который редко встречается в правильно спроектированной истинной пространственной структуре. Уменьшение жесткости также ухудшит управляемость.

Недостатком шасси с пространственной рамой является то, что оно закрывает большую часть рабочего объема автомобиля и может затруднить доступ как для водителя, так и для двигателя. Некоторые космические рамы спроектированы со съемными секциями, соединенными болтовыми штифтами. Такая конструкция уже использовалась вокруг двигателя Лотус Марк III.[12] Преимущество пространственной рамы, хотя и несколько неудобно, состоит в том, что в трубках отсутствует изгибающее усилие, которое позволяет моделировать ее как штыревая конструкция также означает, что такая съемная секция не должна снижать прочность собранной рамы.

Велосипед Moulton на музей современного искусства.
2006 Ducati Монстр S2R 1000.

Мотоциклы и Велосипеды

Итальянский производитель мотоциклов Ducati В своих моделях широко использует шасси с трубчатой ​​рамой.

Космические рамки также использовались в велосипеды, например, разработанные Алекс Моултон.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Александр Грэхем Белл".
  2. ^ Александр Грэм Белл (июнь 1903 г.). «Принцип тетраэдра в структуре воздушного змея». Журнал National Geographic. XIV (6).
  3. ^ «Модульные космические сетки». Архивировано из оригинал на 2016-09-15.
  4. ^ «Система Юнибат».
  5. ^ Клаудиа Эстрела Порто (2014). "Работа Стефана де Шато" (PDF). Architectus. 4 (40): 51–64.
  6. ^ Эволюция космических рамок В архиве 19 ноября 2015 г. Wayback Machine Города сейчас
  7. ^ Дороти Харли Эбер по телефону (29 июня 1978 г.). "Фуллер на звонке".
  8. ^ Отеро К. (1990). "Diseño geométrico de cúpulas no esféricas aproximadas por mallas triangulares, con un número mínimo de longitude de barra". Тесис докторская. Universidad de Cantabria.
  9. ^ Кавиа Соррет (1993).
  10. ^ а б c d Людвигсен и Колин Чепмен, п. 153–154
  11. ^ а б c Людвигсен, Карл (2010). Колин Чепмен: внутри новатора. Haynes Publishing. С. 150–164. ISBN  1-84425-413-5.
  12. ^ Людвигсен и Колин Чепмен, п. 151