新型大跨空間屋蓋結(jié)構(gòu)體系仿生（蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)）研究.pdf

1、首先,對實驗中獲取的高清晰度的蜻蜓翅膀數(shù)碼圖片進行了細致地分析,了解了翅膀的網(wǎng)狀翅脈結(jié)構(gòu)特征和一些細部構(gòu)造.再利用ANSYS分析軟件建立了蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)的計算模型,采用三節(jié)點等參數(shù)梁單元beam189模擬翅脈和八節(jié)點等參數(shù)曲殼單元shel193模擬翅膜,以滿足翅脈和翅膜間的變形協(xié)調(diào)性要求.對前翅平面模型和立體模型的靜力性能進行了對比分析,發(fā)現(xiàn)翅膀中的起拱、起皺結(jié)構(gòu)可顯著提高蜻蜓翅膀的彎曲剛度；分布在翅膀不同區(qū)域的翅脈橫截面尺寸與其受力大小

2、是完全相適應(yīng)的.對翅膀模型分有膜、無膜兩種情況進行對比分析,得出翅膜中產(chǎn)生的膜應(yīng)力剛化效應(yīng)可有效改善翅膀結(jié)構(gòu)的剛度.分別采用不同的分析模型來模擬翅膀關(guān)節(jié),并作靜力分析和模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)可以起到釋放應(yīng)力和減振兩方面的作用. 然后,對蜻蜒的前后翅進行比較,發(fā)現(xiàn)兩者的翅脈分布規(guī)律基本相同,且兩者的上翻剛度都大于其下翻剛度,但前翅面積比后翅小很多,前翅在靜力性能方面優(yōu)于后翅.這些是由于蜻蜓翅膀為適應(yīng)特殊的飛行要求進化而成的.對具有不同

3、起拱、起皺高度的計算模型進行靜力分析,發(fā)現(xiàn)起拱和起皺的幅度越大,結(jié)構(gòu)的剛度也越大,但單位面積上所用的材料則呈非線性增加,相應(yīng)地增加了結(jié)構(gòu)自重.通過對具有不同網(wǎng)格尺寸的結(jié)構(gòu)模型進行靜力分析,得出大網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型的剛度較大；小網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型的剛度較小,但可以降低材料用量.所以在設(shè)計新型仿生結(jié)構(gòu)體系時要選擇合適的起拱、起皺高度和網(wǎng)格尺寸大小,使結(jié)構(gòu)剛度和材料利用率達到最優(yōu)化. 最后,基于以上研究成果,提出了三個具有不同網(wǎng)格分布的新型仿生大

4、跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型,對它們在受力性能和材料用量上進行比較后,選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型.然后對最優(yōu)模型在材料選用和構(gòu)件尺寸上進行細致地分析,并調(diào)整個別構(gòu)件的尺寸,使其結(jié)構(gòu)布局更加合理. 對改進后的模型分別進行了線性分析、幾何非線性分析、動力分析和彈性屈曲分析,以驗證所提仿生結(jié)構(gòu)的合理性.再對優(yōu)化的模型進行鏡像處理,得到三個擴大的仿生大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型,這些結(jié)構(gòu)模型在受力性能上更加合理,外觀造型上更加優(yōu)美.對于這樣的單層大跨度結(jié)構(gòu),如全