索桿鋼結(jié)構(gòu)的成形分析與仿真研究.pdf

1、非剛性的大跨度索桿空間鋼結(jié)構(gòu)是效率極高的結(jié)構(gòu)體系,該類結(jié)構(gòu)的剛度幾乎完全由預(yù)張力來提供,在施加預(yù)應(yīng)力之前,結(jié)構(gòu)的剛度幾乎為零,其形狀也是可變的.結(jié)構(gòu)在張拉過程中逐步獲得剛度,同時(shí)經(jīng)歷很大的變形才達(dá)到設(shè)計(jì)的形狀.該類結(jié)構(gòu)的最終形狀及剛度與成形過程有直接的因果關(guān)系,是結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)中較新穎的一類問題,該文建立了這類問題的分析模型并進(jìn)行了仿真研究.索桿結(jié)構(gòu)在成形過程中既有剛體運(yùn)動(dòng),又有彈性變形,傳統(tǒng)的有限元方法只能應(yīng)用于幾何穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),不能用

2、于求解成形過程這一類特殊的問題.該文從多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論出發(fā),用隨動(dòng)坐標(biāo)系描述單元的剛體運(yùn)動(dòng),在隨動(dòng)坐標(biāo)系內(nèi)度量單元的彈性小變形,建立了索桿結(jié)構(gòu)體系的幾何約束方程和用相對坐標(biāo)描述的一致質(zhì)量分析模型.該文方法可以同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的剛體運(yùn)動(dòng)與彈性變形,以及二者之間的耦合作用.該文方法不受剛體運(yùn)動(dòng)的有無以及剛體運(yùn)動(dòng)幅度大小的影響.算例說明該方法有較高的計(jì)算精度,同時(shí)驗(yàn)證了剛體運(yùn)動(dòng)與彈性變形的耦合作用是不可忽略的.索桿結(jié)構(gòu)動(dòng)力控制方程是微分—代數(shù)

3、混合方程組,該文討論了控制方程組的兩種解法—最大未知量法和最小未知量法,介紹了兩種解法的具體計(jì)算步驟,對它們的計(jì)算精度、收斂性能以及計(jì)算工作量進(jìn)行了比較.該文采用兩套變量描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程,描述剛體運(yùn)動(dòng)的變量是大幅度的慢變分量,描述彈性變形的變量是小幅度的快變分量,兩種變量的同時(shí)求解使控制方程呈嚴(yán)重的"剛性",為了反映彈性變形的變化規(guī)律,積分步長必須取得很小,即使當(dāng)彈性變形已經(jīng)趨于收斂時(shí),積分步長仍然不能放大.該文開發(fā)了基于三維實(shí)體的交

4、互式仿真圖形平臺,研制了索桿結(jié)構(gòu)成形的仿真計(jì)算程序以及前—后處理軟件模塊.該仿真系統(tǒng)能對各種索桿結(jié)構(gòu)的成形過程進(jìn)行仿真計(jì)算并給出完整的計(jì)算結(jié)果.三維實(shí)體圖形平臺對仿真系統(tǒng)的進(jìn)一步完善具有重要的意義.索穹頂是典型的幾何偽可變預(yù)張力結(jié)構(gòu),針對Geiger型和Levy型兩種形式的索穹頂,該文分別按四種張拉施工方案進(jìn)行了仿真計(jì)算,得到在張拉全過程中結(jié)構(gòu)形狀變化與單元內(nèi)力變化的數(shù)據(jù),并對仿真的結(jié)果進(jìn)行了分析和對比.該文對一帳篷形的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)從零狀態(tài)