復(fù)合開放式/間隔式點陣復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)及其制造和使用方法
【專利說明】復(fù)合開放式/間隔式點陣復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)及其制造和使用方 法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2011年5月19日提交的美國臨時申請?zhí)?1/488,041的優(yōu)先權(quán)，該臨 時申請的內(nèi)容通過引用被并入本申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及在能夠快速部署的塔和桅桿系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域中使用的柵格支撐結(jié)構(gòu)。 在各種實施方式中，本發(fā)明的柵格結(jié)構(gòu)被生產(chǎn)并運用在包括(但不限于）可再生能源電力產(chǎn) 生、能源/電力輸送、通信、監(jiān)視、照明、安全柵欄和天線支柱的技術(shù)領(lǐng)域中。
【背景技術(shù)】
[0004] 傳統(tǒng)的電信和可再生能源產(chǎn)生支撐結(jié)構(gòu)由木材、鋼(例如，電鍍鋼、不銹鋼和涂漆 鋼…）、鋁和鋼筋混凝土構(gòu)成。這樣的結(jié)構(gòu)非常難以運輸且一旦被安裝就非常難以拆卸和移 動。由于結(jié)構(gòu)和內(nèi)在高密度及笨重的性質(zhì)，很難成本有效地在野外移動這些設(shè)備。移動這 樣的設(shè)備一般需要大量修建道路以用于運輸建筑設(shè)備（即，但不限于運土設(shè)備、用于地基的 混凝土輸送車和安裝起重機)。此外，很普遍地，建筑/架設(shè)地點的道路建筑成本占總工程 成本的大部分。此外，在屋頂上和邊遠(yuǎn)地區(qū)堅起和使用支撐結(jié)構(gòu)是非常困難的、危險的和昂 貴的。
[0005] 此外，已經(jīng)研制出了結(jié)構(gòu)支撐架(包括三維復(fù)合柵格型結(jié)構(gòu)支撐架）以用于需要提 供高強度性能并且材料用量較小的場合。換句話說，高效的結(jié)構(gòu)支撐架可擁有高強度，且同 時擁有較低的重量，從而導(dǎo)致高強度/重量比。工程師已經(jīng)追求了三維復(fù)合和標(biāo)準(zhǔn)材料桁 架系統(tǒng)很多年，并且還在繼續(xù)研究和重新設(shè)計以實現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。
[0006] 在碳纖維柵格支撐結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域中，這樣的系統(tǒng)的基本定義涉及當(dāng)前使用的三維系 統(tǒng)的定義。此外，它涉及所述系統(tǒng)中的結(jié)點的結(jié)構(gòu)，該結(jié)點將系統(tǒng)的構(gòu)件連接連接在一起以 形成單個較大的單元。例如編織、纏繞、機械緊固、節(jié)點旁路等連接連接?xùn)鸥駱?gòu)件的方法已 經(jīng)在三維結(jié)構(gòu)中使用，在該三維結(jié)構(gòu)中，至少一個連接構(gòu)件從標(biāo)準(zhǔn)2D笛卡爾平面以彎曲或 直線的方式突出以形成3D結(jié)構(gòu)。因此，需要提供一種柵格支撐結(jié)構(gòu)，該柵格支撐結(jié)構(gòu)在本 質(zhì)上是二維的，在形狀上是通用的，使用基于纖維的材料被限制到單個笛卡爾平面，并且當(dāng) 在這樣的結(jié)構(gòu)的最高處支撐期望的物體時是非常堅固和穩(wěn)定的。產(chǎn)業(yè)上仍然在尋求一種輕 質(zhì)、易于安裝、經(jīng)久耐用、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且外形美觀的支撐結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的開放式點陣支撐結(jié)構(gòu)包括多個細(xì)絲或纖維，該多個細(xì)絲或纖維以在多個 節(jié)點處交叉的交織狀態(tài)分層，并通過嵌入到一個或多個固化的聚合材料中而置于穩(wěn)定位 置。本發(fā)明的開放式/間隔式點陣復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)的各種實施方式具有伸展和/或收縮收縮 的設(shè)計，這種設(shè)計允許這樣的支撐結(jié)構(gòu)為緊湊的以用于成本有效地運輸和快速部署，并由 于其超輕的然而非常強的結(jié)構(gòu)而被快速部署。本發(fā)明的復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)總體上是重量輕的、 耐用的，并提供可代替由重得多的材料(例如木材、鋼、鋁、鋼筋混凝土等）制成的桿或桅桿 系統(tǒng)的穩(wěn)定和有效的結(jié)構(gòu)。
[0008] 本發(fā)明的優(yōu)點沒有限制地包括，由于開放式點陣復(fù)合支柱材料具有非常高的強度 與重量比，因此以低成本運輸以安裝是輕便和非常容易的。此外，與由較重的材料(例如金 屬或木材）制成的塔和桅桿相比，在野外移動這些設(shè)備很容易，因為或有明顯減小的重量。 移動這樣的設(shè)備一般需要人力和具有中等載荷建筑設(shè)備的潛力的小工具。此外，設(shè)備基本 能夠現(xiàn)場部署，而不需要建造批準(zhǔn)的道路、不需要傾插1的混凝土和/或不需要使用重型起 重機以用于安裝。
[0009] 在普遍的實施方式中，本發(fā)明是具有任意開放式柵格復(fù)合物的柵格結(jié)構(gòu)(例如，靜 態(tài)或伸縮式塔)，從而實現(xiàn)質(zhì)量減輕、便于安裝和降低成本等效果。
【附圖說明】
[0010] 以下，通過結(jié)合帶有說明的附圖并且以示例的方式詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征 和優(yōu)點將變得明顯；并且，在附圖中：
[0011] 圖1A-圖1F描繪在二維中可能的結(jié)點變型和可選形式，其中所有構(gòu)件被約束到兩 個笛卡爾坐標(biāo)；
[0012] 圖2A-圖2B描繪根據(jù)本公開的實施方式的以二維柵格支撐結(jié)構(gòu)的矩形形式的示 例性實施方式；
[0013] 圖3描繪根據(jù)本公開的實施方式的在二維柵格支撐結(jié)構(gòu)中的交叉構(gòu)件的示例性 可選實施方式；
[0014] 圖4A-圖4B描繪根據(jù)本公開的實施方式的二維柵格支撐結(jié)構(gòu)的可選的示例性實 施方式，其中交叉構(gòu)件具有突出地可選性的對稱形狀和通用性；
[0015] 圖5A-圖5F描繪具有多種交叉構(gòu)件、邊界構(gòu)件、橫向構(gòu)件和縱向構(gòu)件的布置方式 的二維柵格復(fù)合點陣支撐結(jié)構(gòu)的可選的示例性實施方式，該實施方式包括根據(jù)本公開的實 施方式的位于邊界構(gòu)件之間的所有可能的結(jié)點結(jié)構(gòu)；
[0016] 圖6描繪根據(jù)本公開的實施方式的二維柵格支撐結(jié)構(gòu)的另一示例性布置；
[0017] 圖7描繪根據(jù)本公開的實施方式的顯示在二維平面中的結(jié)構(gòu)設(shè)計中的通用性的 二維柵格支撐結(jié)構(gòu)的另一示例性布置；
[0018] 圖8描繪根據(jù)本公開的實施方式的顯示在二維平面中的結(jié)構(gòu)設(shè)計中的通用性的 二維柵格支撐結(jié)構(gòu)的另一示例性布置；
[0019] 圖9描繪根據(jù)本公開的實施方式的用于制造包括形成最終產(chǎn)品的期望圖案的凹 槽的二維柵格支撐結(jié)構(gòu)的基本的卷筒(mandrel)工具；以及
[0020] 圖10描繪根據(jù)本公開的實施方式的基本的卷筒工具，該基本的卷筒工具結(jié)合有 硅樹脂或其它類似的材料和用于在固化時向單元施加壓力的硬質(zhì)表面。
[0021] 圖11描繪包括處于預(yù)加載狀態(tài)的執(zhí)行器凸輪系統(tǒng)的可膨脹工具的一種實施方 式；
[0022] 圖12描繪包括處于向外延伸的加載狀態(tài)的執(zhí)行器凸輪系統(tǒng)的可膨脹工具的一種 實施方式，所述向外延伸的加載狀態(tài)用于在固化之前進(jìn)行完全的纖維張緊；注意：板之間 的空氣間隙；
[0023] 圖13描繪包括處于收縮狀態(tài)的執(zhí)行器凸輪系統(tǒng)的可膨脹工具的一種實施方式；
[0024] 圖14描繪處于預(yù)加載狀態(tài)的膨脹/張緊的卷筒核心（mandrel core)的截面立體 圖；
[0025] 圖15描繪處于收縮狀態(tài)的可膨脹卷筒的截面立體圖；
[0026] 圖16描繪處于預(yù)加載狀態(tài)的包括回轉(zhuǎn)運動卷筒核心（circular motion mandrel core)的可膨脹工具的實施方式；
[0027] 圖17描繪處于向外延伸的加載狀態(tài)的包括回轉(zhuǎn)運動卷筒核心（circular motion mandrel core)的可膨脹工具的實施方式，所述向外延伸的加載狀態(tài)用于在固化之間進(jìn)行 完全的纖維張緊；注意：板之間的空氣間隙；
[0028] 圖18描繪處于收縮狀態(tài)的包括回轉(zhuǎn)運動卷筒核心（circular motion mandrel core)的可膨脹工具的實施方式；
[0029] 圖19是包括套入的連接節(jié)段（nested connection section)的兩個圓柱型 (cylindrical patterned)支柱節(jié)段的側(cè)視圖；
[0030] 圖20是包括套入的連接節(jié)段的三個圓柱型支柱節(jié)段的側(cè)視圖；
[0031] 圖21是梯形支柱節(jié)段的一種實施方式的立體圖；
[0032] 圖22a是梯形支柱節(jié)段的另一實施方式的立體圖；
[0033] 圖22b是梯形支柱節(jié)段的另一實施方式的側(cè)視圖；
[0034] 圖23a是包括正方形圖案的八角形支柱節(jié)段的一個實施方式的側(cè)視圖；
[0035] 圖23b是包括菱形圖案的八角形支柱節(jié)段的一個實施方式的側(cè)視圖；
[0036] 圖24是包括菱形圖案的支柱節(jié)段的另一實施方式的側(cè)視圖；
[0037] 圖25是包括支撐構(gòu)件的六角形支柱節(jié)段的實施方式的頂視圖；
[0038] 圖26a是包括支撐構(gòu)件的六角形支柱節(jié)段的實施方式的立體圖；
[0039] 圖26b是包括菱形圖案的六角形支柱節(jié)段的一個實施方式的頂部立體圖；
[0040] 圖26c是六角形支柱節(jié)段的一個實施方式的側(cè)視圖；
[0041] 圖27是三角形支柱節(jié)段的一個實施方式的側(cè)視圖；
[0042] 圖28是形成柱（column)的多個互鎖（interlocking)三角形支柱節(jié)段的一個實施 方式的側(cè)視圖；
[0043] 圖29是形成柱的多個互鎖八角形支柱節(jié)段的一個實施方式的立體側(cè)視圖；
[0044] 圖30是形成柱的多個互鎖六角形支柱節(jié)段的一個實施方式的立體側(cè)視圖；
[0045] 圖31是形成八角形柱的多個互鎖梯形支柱節(jié)段的一個實施方式的側(cè)視圖；
[0046] 圖32是通過繩索系統(tǒng)（cable system)機械地連接以形成柱的多個互鎖支柱節(jié)段 的一個實施方式的側(cè)視圖；
[0047] 圖33是通過繩索系統(tǒng)機械地連接以形成柱的多個互鎖梯形支柱節(jié)段的一個實施 方式的側(cè)視圖；
[0048] 圖34是由梯形支柱形成的快速部署伸縮式塔的立體圖；
[0049] 圖35是由圓柱形支柱形成的快速部署伸縮式塔的立體圖；
[0050] 圖36是伸縮式塔的用于自身驅(qū)動堅起的繩索滑輪機構(gòu)的側(cè)視圖；
[0051] 圖37是伸縮式塔的用于自身驅(qū)動堅起的繩索滑輪機構(gòu)的另一側(cè)視圖；
[0052] 圖38是伸縮式塔的一個實施方式的用于自身堅起的氣動泵系統(tǒng)的側(cè)視圖；
[0053] 圖39是用于部署伸縮式塔的一個實施方式的氣動式、液壓式或機械式螺旋起重 裝置的側(cè)視圖；
[0054] 圖40是多支柱柵格結(jié)構(gòu)中的包括鎖銷的互鎖連接器的立體側(cè)視圖；
[0055] 圖41是多支柱柵格結(jié)構(gòu)中的包括鎖銷的互鎖連接器的立體側(cè)視圖；
[0056] 圖42是多支柱柵格結(jié)構(gòu)中的用于重載荷應(yīng)用的45度快速鎖定螺紋連接器的透視 立體圖；
[0057] 圖43是多支柱柵格結(jié)構(gòu)中連接支柱節(jié)段的用于重載荷應(yīng)用的45度快速鎖定螺紋 連接器的側(cè)視圖；
[0058] 圖44是多支柱柵格結(jié)構(gòu)中的用于連接支柱節(jié)段的單突耳（凸片（debris))用戶友 好型45度快速鎖定連接器的側(cè)視分解圖；
[0059] 圖45是多支柱柵格結(jié)構(gòu)中的用于連接支柱節(jié)段的快速鎖定連接器的側(cè)視圖；
[0060] 圖46是用于連接支柱的伸縮式連接器的側(cè)視圖；
[0061] 圖47是維形連接器組件（tapered connector assembly)的側(cè)視圖；
[0062] 圖48是可膨脹突耳連接器組件的側(cè)視圖；
[0063] 圖49是可膨脹突耳連接器組件的立體圖；
[0064] 圖50是包括用于膨脹的螺旋狀縫隙的可膨脹突耳連接器組件的側(cè)視圖；
[0065] 圖51是連接到T形條轉(zhuǎn)座的柵格結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0066] 圖52是連接到T形條轉(zhuǎn)座的柵格結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，其中塔處于收縮狀態(tài)；
[0067] 圖53是T形條轉(zhuǎn)座的立體圖；
[0068] 圖54是連接到適合于T形條轉(zhuǎn)座的連接器的柵格結(jié)構(gòu)的立體圖；
[0069] 圖55是連接到兩件式凸緣支架延伸部（two-piece flange mount extension)的 柵格結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0070] 圖56是替代混凝土的、用于建立底座的螺旋墩（helical pier)的側(cè)視圖；
[0071] 圖57是與轉(zhuǎn)座鄰接的螺旋墩的立體圖；
[0072] 圖58是包括錐形鉸鏈支架（tapered hinge mount)的螺旋墩的立體圖；
[0073] 圖59是包括錐形鉸鏈支架的螺旋墩的立體圖，其中螺旋墩處于打開狀態(tài)；
[0074] 圖60是包括螺旋墩的電桿柵格結(jié)構(gòu)（power pole lattice structure)的立體 圖；
[0075] 圖61是與通信盤（communications dish)結(jié)合的太陽能電池板支架（solar paned mount)的立體圖；
[0076] 圖62是太陽能電池板支架的側(cè)視圖；
[0077] 圖63是與通信盤結(jié)合的太陽電池板支架的側(cè)視圖；
[0078] 圖64是連接到柵格塔的衛(wèi)星和微波盤的側(cè)視圖；
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