可變索桿體系的展開過程分析.pdf

1、可展結構主要是指在不改變結構總體重量和物質組成的情況下，結構在折疊或收攏狀態(tài)下可保持相對較小的體積或無應力的松弛狀態(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構剛度，并且在展開和折疊的過程中不會出現(xiàn)構件或結構破壞的一類特殊的結構體系?？烧菇Y構的應用范圍很廣，除一般的工業(yè)設計產品外，主要應用于航天航空領域與建筑工程領域，如航天領域中的可展天線與伸展臂，以及建筑領域中的攀達穹頂體系與張力索桁架體系等。
　　 可展結構的展開

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、多剛體動力學方法、廣義逆矩陣法、有限元方法等。多體系統(tǒng)對于機構運動的描述的核心是建立不同的坐標系，其中包括了最少坐標數(shù)方法、拉格朗日坐標方法、笛卡爾坐標方法、自然坐標方法。由于自然坐標方法基于有限元的離散集成思想并采用了笛卡爾坐標方法中的節(jié)點自然坐標來描述體系構形，其過程具有可程序化的優(yōu)點，同時通過單元及節(jié)點編號的關系方便地考慮了體系的拓撲構形。
　　 本文采用了以自然坐

3、標描述的多體系統(tǒng)動力學的有限元方法，根據(jù)基于剛體假設的最小應變能原理與拉格朗日乘子法論述束多體系統(tǒng)運動學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)動力學基本方程的建立方法，結合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。本文在動力學基本方程的基礎上，論述了考慮機構運動與彈性變形的桿單元分析模型，研究了通過初應變的形式考慮多體系統(tǒng)中溫度效應的方法，對平行四連桿機構與不平行四連桿機構在自重與不同環(huán)境溫度作用下的運動過程進行了模擬。

5、>　　 在討論了索結構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，結合索結構特性與多體系統(tǒng)動力學的有限元方法，采用多段直線索段模擬索結構，由于在展開過程分析中索結構的幾何不穩(wěn)定，需要確定其在自重下的初始構形作為展開過程分析的基礎，并從索的基本平衡方程出發(fā)闡述了運動分析初始構形確定的一般步驟，通過單索算例驗證了方法。
　　 針對建筑領域中攀達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，表明了結構構形與受力狀況在體系展開過程中產生較大的變化。算例結果表明：攀達穹頂體系的展開程度與體系設計相關，“過度”的展開會使結構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節(jié)結構的水平張力，以保持展開時的體系穩(wěn)定與結構安全。
　　 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