張拉整體棱柱結(jié)構(gòu)分析.pdf

1、張拉整體結(jié)構(gòu)是一種由壓桿和拉索組成的特殊張拉桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件只承受軸向載荷，這種獨特的力分配方式使得張拉整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量顯著減小，在近年來成為雕塑、建筑、航空等領(lǐng)域的研究熱點。當(dāng)前，對張拉整體結(jié)構(gòu)的研究主要集中在找形、平衡條件分析以及動力學(xué)研究等方面，對基本棱柱單元結(jié)構(gòu)的研究尚未形成統(tǒng)一的理論。本文將以最基本的單元棱柱結(jié)構(gòu)為研究對象，對張拉整體結(jié)構(gòu)的相關(guān)問題進行進一步研究。
　　對于張拉整體棱柱單元結(jié)構(gòu)的構(gòu)型問題，本文從棱柱結(jié)構(gòu)

2、的外形幾何參數(shù)出發(fā)，根據(jù)張拉整體棱柱的結(jié)構(gòu)特點，確定節(jié)點排序，推導(dǎo)計算節(jié)點矢量矩陣，分析節(jié)點與桿索構(gòu)件的連接關(guān)系，推導(dǎo)計算桿索構(gòu)件的連接矩陣及矢量矩陣，完成結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型和構(gòu)型理論的構(gòu)建，實現(xiàn)張拉整體結(jié)構(gòu)在任意幾何參數(shù)下的構(gòu)型。在棱柱結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過改變截面圓半徑，完成棱柱結(jié)構(gòu)向棱臺結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。
　　針對棱柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，本文依據(jù)張拉整體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，建立結(jié)構(gòu)的力平衡方程，使用奇異值分解法分析結(jié)構(gòu)的平衡矩陣，確定結(jié)

3、構(gòu)的體系分類，利用結(jié)構(gòu)的自應(yīng)力模態(tài)和機構(gòu)位移模態(tài)，求解不平衡力，完成結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系判定。引入構(gòu)件力密度，把構(gòu)件內(nèi)力與構(gòu)件矢量直接聯(lián)系起來，確定各變量與節(jié)點矢量的關(guān)系，通過矩陣理論推導(dǎo)獲得結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，完成張拉整體結(jié)構(gòu)（預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)）的剛度分析。同時，對張拉整體結(jié)構(gòu)保持平衡的必要條件進行了分析，以張拉整體棱柱為實例，完成棱柱結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性分析。
　　張拉整體結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件只承受軸向力的特點，使得結(jié)構(gòu)最小質(zhì)量設(shè)計成為可能。通過將結(jié)構(gòu)的

4、受力向節(jié)點等效分布，建立結(jié)構(gòu)在單一或復(fù)雜載荷下的質(zhì)量優(yōu)化模型，以系統(tǒng)的節(jié)點矢量矩陣為基礎(chǔ)，建立系統(tǒng)的力學(xué)模型，在屈服極限下分析構(gòu)件的最小質(zhì)量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最小質(zhì)量設(shè)計。由于壓桿構(gòu)件在外力下可能發(fā)生彎曲，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分析須兼顧屈服和屈曲兩種極限受力狀態(tài)。以張拉整體棱柱為實例，分析結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的長度、力密度與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，求解了結(jié)構(gòu)在屈服極限下的最小質(zhì)量，驗證了最小質(zhì)量理論的正確性
　　復(fù)雜的張拉整體結(jié)構(gòu)均由簡單的單元結(jié)構(gòu)組合而成，將張拉

5、整體棱柱結(jié)構(gòu)作為基本單元進行結(jié)構(gòu)拓撲，完成棱柱結(jié)構(gòu)沿軸向、周向的結(jié)構(gòu)拓撲，得到圓柱型結(jié)構(gòu)、圓環(huán)型結(jié)構(gòu)、雙單元棱柱以及截角棱柱等各種新型張拉整體結(jié)構(gòu)。沿棱柱結(jié)構(gòu)軸向組合，得到圓柱型結(jié)構(gòu)，通過改變其徑向截面，得到不同結(jié)構(gòu)特點的圓柱型結(jié)構(gòu)；將圓柱型結(jié)構(gòu)進行彎曲變形，得到圓環(huán)型結(jié)構(gòu)。利用棱柱結(jié)構(gòu)對稱組合，得到了克服其容易扭轉(zhuǎn)缺點的雙單元棱柱結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上拓撲組合獲得了柱形和環(huán)形結(jié)構(gòu)。通過棱柱和棱臺單元結(jié)構(gòu)的混合組合，得到了不同特性的截角棱柱結(jié)