索桿鋼結構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構是效率極高的結構體系,該類結構的剛度幾乎完全由預張力來提供,在施加預應力之前,結構的剛度幾乎為零,其形狀也是可變的.結構在張拉過程中逐步獲得剛度,同時經歷很大的變形才達到設計的形狀.該類結構的最終形狀及剛度與成形過程有直接的因果關系,是結構分析與設計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行了仿真研究.索桿結構在成形過程中既有剛體運動,又有彈性變形,傳統(tǒng)的有限元方法只能應用于幾何穩(wěn)定的結構,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)動力學的理論出發(fā),用隨動坐標系描述單元的剛體運動,在隨動坐標系內度量單元的彈性小變形,建立了索桿結構體系的幾何約束方程和用相對坐標描述的一致質量分析模型.該文方法可以同時考慮結構的剛體運動與彈性變形,以及二者之間的耦合作用.該文方法不受剛體運動的有無以及剛體運動幅度大小的影響.算例說明該方法有較高的計算精度,同時驗證了剛體運動與彈性變形的耦合作用是不可忽略的.索桿結構動力控制方程是微分—代數

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算步驟,對它們的計算精度、收斂性能以及計算工作量進行了比較.該文采用兩套變量描述系統(tǒng)的運動過程,描述剛體運動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,兩種變量的同時求解使控制方程呈嚴重的"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,即使當彈性變形已經趨于收斂時,積分步長仍然不能放大.該文開發(fā)了基于三維實體的交

4、互式仿真圖形平臺,研制了索桿結構成形的仿真計算程序以及前—后處理軟件模塊.該仿真系統(tǒng)能對各種索桿結構的成形過程進行仿真計算并給出完整的計算結果.三維實體圖形平臺對仿真系統(tǒng)的進一步完善具有重要的意義.索穹頂是典型的幾何偽可變預張力結構,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行了仿真計算,得到在張拉全過程中結構形狀變化與單元內力變化的數據,并對仿真的結果進行了分析和對比.該文對一帳篷形的索網結構從零狀態(tài)