可變索桿體系的展開(kāi)過(guò)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(duì)較小的體積或無(wú)應(yīng)力的松弛狀態(tài)，而在展開(kāi)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(kāi)和折疊的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)破壞的一類(lèi)特殊的結(jié)構(gòu)體系?？烧菇Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍很廣，除一般的工業(yè)設(shè)計(jì)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(kāi)

2、過(guò)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(dòng)力學(xué)方法、廣義逆矩陣法、有限元方法等。多體系統(tǒng)對(duì)于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)自然坐標(biāo)來(lái)描述體系構(gòu)形，其過(guò)程具有可程序化的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)單元及節(jié)點(diǎn)編號(hào)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)基本方程的建立方法，結(jié)合Newmark-β隱式時(shí)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(yùn)動(dòng)基本方程的求解方法和過(guò)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(tái)編制了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的有限元方法

4、的分析程序，進(jìn)行了算例分析，驗(yàn)證了理論方法的可行性。通過(guò)對(duì)平面雙擺機(jī)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(kāi)過(guò)程既包含了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)又包含了彈性變形，一般的索桿單元無(wú)法進(jìn)行模擬。本文在動(dòng)力學(xué)基本方程的基礎(chǔ)上，論述了考慮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與彈性變形的桿單元分析模型，研究了通過(guò)初應(yīng)變的形式考慮多體系統(tǒng)中溫度效應(yīng)的方法，對(duì)平行四連桿機(jī)構(gòu)與不平行四連桿機(jī)構(gòu)在自重與不同環(huán)境溫度作用下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)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(dòng)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(kāi)過(guò)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(kāi)過(guò)程分析的基礎(chǔ)，并從索的基本平衡方程出發(fā)闡述了運(yùn)動(dòng)分析初始構(gòu)形確定的一般步驟，通過(guò)單索算例驗(yàn)證了方法。
　　 針對(duì)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(diǎn)及

6、展開(kāi)過(guò)程中所需要注意的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化的攀達(dá)穹頂模型與平面索桁架模型展開(kāi)折疊過(guò)程的數(shù)值模擬，驗(yàn)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(kāi)過(guò)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(kāi)程度與體系設(shè)計(jì)相關(guān)，“過(guò)度”的展開(kāi)會(huì)使結(jié)構(gòu)處于不利的受力狀態(tài)；索桁架在展開(kāi)折疊過(guò)程中需要分批調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的水平張力，以保持展開(kāi)時(shí)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(duì)課題的思考，討論了在研究過(guò)程中存在的不足，并提