桿系可展開(kāi)結(jié)構(gòu)初始形態(tài)及折展性能研究.pdf

1、近幾十年來(lái)，隨著人類對(duì)太空領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)，可展開(kāi)結(jié)構(gòu)日益受到重視并逐漸應(yīng)用于建筑領(lǐng)域?？烧归_(kāi)結(jié)構(gòu)是具有展開(kāi)性能的空間結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，結(jié)構(gòu)可由收縮的緊密位形轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)定的擴(kuò)展位形，并在擴(kuò)展位形下具有一定的承載能力。折疊結(jié)構(gòu)和張拉整體結(jié)構(gòu)可以看作由桿系結(jié)構(gòu)演化出來(lái)的可展開(kāi)結(jié)構(gòu)類型。初始形態(tài)設(shè)計(jì)是桿系可展開(kāi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要工作，相對(duì)薄弱的形態(tài)設(shè)計(jì)及折展機(jī)制研究是制約該類結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展的瓶頸。因此，對(duì)桿系可展開(kāi)結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)和折展機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究具有十分重要

2、的理論意義和工程價(jià)值。
　　首先，對(duì)桿系可展開(kāi)結(jié)構(gòu)所特有的一些力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，主要包括以下幾個(gè)方面：
　　1）桿系可展開(kāi)結(jié)構(gòu)在具有折展性能的同時(shí)表現(xiàn)出了機(jī)構(gòu)特征，為保證其可以作為結(jié)構(gòu)承載，首先應(yīng)當(dāng)判定結(jié)構(gòu)的幾何穩(wěn)定性。建立了桿系結(jié)構(gòu)的平衡矩陣，并分析了平衡矩陣四個(gè)子空間的力學(xué)意義。探討了目前關(guān)于體系分類方法中存在的問(wèn)題，引入線性代數(shù)理論中“過(guò)定”的概念將體系重新分類，從而使各類體系具有更為明確的物理內(nèi)涵。各類體

3、系中僅動(dòng)靜不定體系存在幾何穩(wěn)定性判定問(wèn)題，從平衡矩陣的奇異值分解入手，給出了動(dòng)靜不定體系的幾何穩(wěn)定性判據(jù)。
　　2）幾何設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是為了保證折疊結(jié)構(gòu)可以順利地折展，是折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。通過(guò)定義自鎖折疊結(jié)構(gòu)的基本幾何參數(shù)，利用解析幾何法建立了自鎖折疊網(wǎng)架及網(wǎng)殼的幾何模型，分析了結(jié)構(gòu)自鎖原理的本質(zhì)。為了避免節(jié)點(diǎn)偏心作用和桿件間的摩擦問(wèn)題，在轂節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了適用于自鎖及外加鎖式折疊結(jié)構(gòu)的米字和十字焊接鋼板節(jié)點(diǎn)形式，并設(shè)計(jì)了合理

4、的節(jié)點(diǎn)布置。自鎖折疊結(jié)構(gòu)的自鎖性能要求結(jié)構(gòu)剛度與柔度間達(dá)到某種平衡?？紤]節(jié)點(diǎn)尺寸修正自鎖折疊結(jié)構(gòu)的幾何模型并采用ANSYS進(jìn)行分析，給出了折疊結(jié)構(gòu)各幾何參數(shù)及截面參數(shù)的合理取值區(qū)間。
　　3）張拉整體結(jié)構(gòu)依靠自應(yīng)力提供結(jié)構(gòu)剛度，因而初始形態(tài)分析中不僅不考慮外荷載，而且外加約束對(duì)結(jié)構(gòu)的初始平衡形態(tài)沒(méi)有影響。對(duì)現(xiàn)有的初始形態(tài)分析方法進(jìn)行了歸納，現(xiàn)有方法基本都以力密度法、動(dòng)力松弛法和有限單元法為基礎(chǔ)的。結(jié)合張拉整體結(jié)構(gòu)初始形態(tài)分析的特點(diǎn)

5、推導(dǎo)了力密度法和動(dòng)力松弛法的基本公式，編制相應(yīng)的計(jì)算程序并分析了程序的計(jì)算效率及收斂性。應(yīng)用相應(yīng)程序進(jìn)行了張拉整體結(jié)構(gòu)初始形態(tài)的算例驗(yàn)證，分析了力密度法及動(dòng)力松弛法的適用性。結(jié)合上述方法確定的張拉整體結(jié)構(gòu)初始形態(tài)，闡明了國(guó)外早期應(yīng)用廣泛的幾何分析法的力學(xué)本質(zhì)并提出了一種適用于確定簡(jiǎn)單型旋轉(zhuǎn)對(duì)稱張拉整體結(jié)構(gòu)初始形態(tài)的簡(jiǎn)便方法。
　　4）在由給定的預(yù)應(yīng)力態(tài)確定平衡幾何的形態(tài)分析思路上，前述的力密度法和動(dòng)力松弛法都不再適用。由于外加約束

6、不影響張拉整體結(jié)構(gòu)的初始平衡形態(tài)，故目前形態(tài)分析的有限元方法中普遍采用的節(jié)點(diǎn)位移法同樣不適用。通過(guò)節(jié)點(diǎn)力平衡法和虛位移原理建立張拉整體結(jié)構(gòu)的有限元基本方程。編制了張拉整體結(jié)構(gòu)初始形態(tài)分析的非線性有限元程序，分析了影響收斂性的因素，并提出了采用修正的荷載增量法保證程序計(jì)算的收斂性。通過(guò)算例分析給出了張拉整體結(jié)構(gòu)給定預(yù)應(yīng)力態(tài)及初始幾何態(tài)的選取建議。在由給定幾何確定平衡預(yù)應(yīng)力態(tài)的角度，結(jié)合溫度加載方式提出了一種基于有限元軟件確定張拉整體結(jié)構(gòu)初

7、始形態(tài)的具體思路和實(shí)現(xiàn)方法。
　　其次，在土木工程領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)張拉整體結(jié)構(gòu)的折展性能，第一通過(guò)簡(jiǎn)單構(gòu)造產(chǎn)生有限機(jī)構(gòu)，第二要保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件在折展過(guò)程中的幾何相容性。以這兩點(diǎn)為依據(jù)系統(tǒng)論述了工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)存在的張拉整體結(jié)構(gòu)折展的桿元模式和索元模式的可行性，提出了適用于土木工程領(lǐng)域的具體索元折展模式。針對(duì)張拉整體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，構(gòu)造了剪鉸張拉整體網(wǎng)格和無(wú)限張拉整體網(wǎng)格。剪鉸張拉整體網(wǎng)格是將張拉整體思想和折疊結(jié)構(gòu)的剪鉸單元相結(jié)合，利用剪鉸單元良好