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 полоски, система может быть рассчитана с использованием матрицы жесткости, пренебрегая угловыми факторами.

В архитектуре и строительной технике , A пространственная рама или пространственная структура (3D ферменный) представляет собой жесткие, легкая, ферменной -как структуры построена из взаимосвязанной распорки в геометрическом узоре . Космические рамы можно использовать для перекрытия больших площадей с небольшим количеством внутренних опор. Как и ферма , пространственный каркас прочен из-за присущей треугольнику жесткости; сгибание нагрузки (изгибающие моменты ) передаются в виде растяжения и сжатия нагрузок по длине каждой стойки.

История

Александр Грэм Белл с 1898 по 1908 год разработал космические системы координат, основанные на геометрии тетраэдра. В первую очередь Белла интересовало их использование для изготовления жестких рам для морской и авиационной техники, при этом четырехгранная ферма была одним из его изобретений. Д-р инж. Макс Менгерингхаузен разработал систему пространственной сетки под названием MERO (аббревиатура от ME ngeringhausen RO hrbauweise ) в 1943 году в Германии, тем самым положив начало использованию космических ферм в архитектуре. В широко используемом методе, который до сих пор используется, отдельные трубчатые элементы соединяются в узловых соединениях (в форме шара), а также в таких вариантах, как система космической палубы, система октетных ферм и кубическая система. Стефан де Шато во Франции изобрел трехстороннюю систему SDC (1957), систему Unibat (1959), Pyramitec (1960). Для замены отдельных столбцов был разработан метод опор деревьев. Бакминстер Фуллер запатентовал октетную ферму в 1961 году, сосредоточив внимание на архитектурных сооружениях.

Методы проектирования

Космические рамы обычно проектируются с использованием матрицы жесткости . Особенностью матрицы жесткости архитектурного пространственного каркаса является независимость от 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 пространственного каркаса - это горизонтальная плита из взаимосвязанных квадратных пирамид и тетраэдров, построенная из алюминиевых или трубчатых стальных распорок. Во многом это похоже на то, что горизонтальная стрела башенного крана повторяется много раз, чтобы сделать ее шире. Более сильная форма состоит из взаимосвязанных тетраэдров, в которых 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 пространственного фрейма мы можем найти три системы, явно отличающиеся между собой:

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.
Этот вокзал поддерживается структурой цилиндрического свода.
  • Бочковые хранилища: этот тип хранилища имеет поперечное сечение простой арки. Обычно этот тип космического 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 фреймы, 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 покрытия: конструкции на натянутом кабеле, корешке и противовоспалительном соединении контактной дуги показывают их способность направлять силы теоретически лучше, чем любая другая альтернатива, 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, они уязвимы для 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
  • Атриум

Строительство

Пространственные рамы - обычное дело в современном строительстве; они часто встречаются в больших пролетах крыш модернистских коммерческих и промышленных зданий.

Примеры зданий, основанных на космических каркасах, включают:

Большие переносные сцены и осветительные опоры также часто строятся из пространственных рам и октетных ферм.

Транспортные средства

Рамы Yeoman YA-1 и CA-6 Wackett.

Самолет

CAC CA-6 Wackett и Йомен YA-1 Cropmaster 250R самолетов были построены с использованием примерно тот же сварной стальной трубы фюзеляжа рамы.

Машины

Космические рамы иногда используются в конструкциях шасси автомобилей и мотоциклов . 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 имеют ее вообще. Напротив, в цельном или монококовом исполнении корпус служит частью конструкции.

Шасси с трубчатой ​​рамой предшествуют шасси с пространственной рамой и являются развитием более раннего лестничного шасси . Преимущество использования трубок по сравнению с предыдущими секциями с открытыми каналами состоит в том, что они лучше сопротивляются скручивающим усилиям . Некоторые трубчатые шасси были немногим более лестничного шасси, сделанного из двух труб большого диаметра, или даже одной трубы в качестве основного шасси . Хотя многие трубчатые шасси были снабжены дополнительными трубами 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. Хотя эти дополнительные трубы действительно несли дополнительную нагрузку, они редко диагонализовались в жесткую пространственную раму.

Более ранним претендентом на первое истинное шасси с космической рамой является одно из гоночных автомобилей Chamberlain 8, «специальное», построенное братьями Бобом и Биллом Чемберленами в Мельбурне, Австралия, в 1929 году. Другие приписывают автомобили, произведенные в 1930-х годах такими дизайнерами, как Бакминстер Фуллер и Уильям Бушнелл. Стаут ( Димаксион и Крепкий Скарабей ), который понял теорию истинного космического каркаса либо из архитектуры, либо из конструкции самолета.

После Второй мировой войны попытка построить гоночный автомобиль с космической рамой была Cisitalia D46 1946 года. В ней использовались две трубы небольшого диаметра с каждой стороны, но они были разделены вертикальными трубами меньшего размера и поэтому не были диагонализованы ни в одной плоскости. Год спустя Porsche разработал свой Type 360 для Cisitalia . Поскольку это включает в себя диагональные трубы, его можно считать настоящей космической рамой и, возможно, первой средне-задней конструкцией с двигателем.

Рама Jaguar C-Type

Maserati Tipo 61 1959 года (Birdcage) часто называют первым автомобилем, но в 1949 году доктор Роберт Эберан-Эберхорст разработал Jowett Jupiter, представленный на Лондонском автосалоне в том же году ; Jowett одержал победу в классе на 24-часовой гонке в Ле-Мане 1950 года. Позже TVR , небольшие британские производители автомобилей, разработали концепцию и выпустили двухместный автомобиль с легкосплавным кузовом на многотрубном шасси, который появился в 1949 году.

Колин Чепмен из Lotus представил свой первый «серийный» автомобиль, Mark VI , в 1952 году. На это повлияло шасси Jaguar C-Type , другое с четырьмя трубами двух разных диаметров, разделенными 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 может показаться покупателям ненадежным. Несмотря на то, что Lotus широко описывается как космический каркас, Lotus не создавал настоящего космического шасси до Mark VIII , с влиянием других конструкторов, имеющих опыт работы в авиастроении.

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

В большом количестве комплектов автомобилей , возможно, большинство из которых производится в Великобритании, используется конструкция с пространственной рамой, потому что для производства небольших партий требуются только простые и недорогие приспособления , а конструктору-любителю относительно легко добиться хорошей жесткости с пространственной рамой. Обычно пространственные рамы сварены методом MIG , хотя в более дорогих комплектах часто используется сварка TIG , более медленный и более квалифицированный процесс. Многие из них напоминают Lotus Mark VII в общих чертах и ​​механической компоновке, однако другие являются точными копиями AC Cobra или итальянских суперкаров , 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, к усталостному разрушению - механизму разрушения, который редко встречается в правильно спроектированной пространственной раме. 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 для двигателя Lotus Mark III . Преимущество пространственной рамы, хотя и несколько неудобно, состоит в том, что такое же отсутствие изгибающих сил в трубках, которое позволяет моделировать ее как конструкцию с штифтовым соединением, также означает, что такая съемная секция не должна снижать прочность собранной рамы.

Мотоциклы и Велосипеды

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

Космические рамы также использовались в велосипедах , например, разработанных Алексом Моултоном .

Смотрите также

использованная литература