可變索桿體系的展開過程分析.pdf

1、可展結(jié)構(gòu)主要是指在不改變結(jié)構(gòu)總體重量和物質(zhì)組成的情況下，結(jié)構(gòu)在折疊或收攏狀態(tài)下可保持相對較小的體積或無應(yīng)力的松弛狀態(tài)，而在展開或繃緊狀態(tài)下能保持穩(wěn)定的可承受使用荷載的結(jié)構(gòu)剛度，并且在展開和折疊的過程中不會出現(xiàn)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)破壞的一類特殊的結(jié)構(gòu)體系。可展結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍很廣，除一般的工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品外，主要應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域與建筑工程領(lǐng)域，如航天領(lǐng)域中的可展天線與伸展臂，以及建筑領(lǐng)域中的攀達(dá)穹頂體系與張力索桁架體系等。
　　 可展結(jié)構(gòu)的展開

2、過程是多體系統(tǒng)理論研究的重要方面，其主要的研究方法有力法、多剛體動力學(xué)方法、廣義逆矩陣法、有限元方法等。多體系統(tǒng)對于機構(gòu)運動的描述的核心是建立不同的坐標(biāo)系，其中包括了最少坐標(biāo)數(shù)方法、拉格朗日坐標(biāo)方法、笛卡爾坐標(biāo)方法、自然坐標(biāo)方法。由于自然坐標(biāo)方法基于有限元的離散集成思想并采用了笛卡爾坐標(biāo)方法中的節(jié)點自然坐標(biāo)來描述體系構(gòu)形，其過程具有可程序化的優(yōu)點，同時通過單元及節(jié)點編號的關(guān)系方便地考慮了體系的拓?fù)錁?gòu)形。
　　 本文采用了以自然坐

3、標(biāo)描述的多體系統(tǒng)動力學(xué)的有限元方法，根據(jù)基于剛體假設(shè)的最小應(yīng)變能原理與拉格朗日乘子法論述束多體系統(tǒng)運動學(xué)基本方程的建立方法，根據(jù)Hamilton原理與拉格朗日乘子法論述了約束多體系統(tǒng)動力學(xué)基本方程的建立方法，結(jié)合Newmark-β隱式時間積分方法與Newton-Raphson非線性迭代方法探索了具有微分代數(shù)方程組形式的運動基本方程的求解方法和過程，并討論了數(shù)值模擬的收斂與誤差控制，基于Matlab軟件平臺編制了多體系統(tǒng)動力學(xué)的有限元方法

4、的分析程序，進行了算例分析，驗證了理論方法的可行性。通過對平面雙擺機構(gòu)的數(shù)值模擬，表明需要考慮數(shù)值阻尼以保證數(shù)值穩(wěn)定及精度。
　　 可變索桿體系的展開過程既包含了機構(gòu)運動又包含了彈性變形，一般的索桿單元無法進行模擬。本文在動力學(xué)基本方程的基礎(chǔ)上，論述了考慮機構(gòu)運動與彈性變形的桿單元分析模型，研究了通過初應(yīng)變的形式考慮多體系統(tǒng)中溫度效應(yīng)的方法，對平行四連桿機構(gòu)與不平行四連桿機構(gòu)在自重與不同環(huán)境溫度作用下的運動過程進行了模擬。

5、>　　 在討論了索結(jié)構(gòu)一般分析理論中的直線索模型、拋物線索模型、懸鏈線索模型的基本原理與適用性后，結(jié)合索結(jié)構(gòu)特性與多體系統(tǒng)動力學(xué)的有限元方法，采用多段直線索段模擬索結(jié)構(gòu)，由于在展開過程分析中索結(jié)構(gòu)的幾何不穩(wěn)定，需要確定其在自重下的初始構(gòu)形作為展開過程分析的基礎(chǔ)，并從索的基本平衡方程出發(fā)闡述了運動分析初始構(gòu)形確定的一般步驟，通過單索算例驗證了方法。
　　 針對建筑領(lǐng)域中攀達(dá)穹頂體系與張力索桁架體系，闡述了可變索桿體系的一般特點及

6、展開過程中所需要注意的問題，通過對簡化的攀達(dá)穹頂模型與平面索桁架模型展開折疊過程的數(shù)值模擬，驗證了理論方法的可行性，表明了結(jié)構(gòu)構(gòu)形與受力狀況在體系展開過程中產(chǎn)生較大的變化。算例結(jié)果表明：攀達(dá)穹頂體系的展開程度與體系設(shè)計相關(guān)，“過度”的展開會使結(jié)構(gòu)處于不利的受力狀態(tài)；索桁架在展開折疊過程中需要分批調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的水平張力，以保持展開時的體系穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)安全。
　　 最后，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果及對課題的思考，討論了在研究過程中存在的不足，并提