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杆系可展开结构初始形态及折展性能研究

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目录

杆系可展开结构初始形态及折展性能研究

RESEARCH ON INITIAL FORM-FINDING AND FOLDING PERFORMANCE OF DEPLOYABLE MEMBER STRUCTURES

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 折叠结构

1.2.2 张拉整体结构

1.2.3 新形式探索

1.2.4 其它研究方向

1.3 本文的主要工作

第2章 杆系可展开结构几何稳定性分析

2.1 杆系结构平衡矩阵

2.1.1 平衡矩阵的建立

2.1.2 平衡矩阵的子空间

2.2 杆系结构分类

2.3 体系几何稳定性分析

2.3.1 平衡矩阵奇异值分解

2.3.2 几何稳定性判定

2.4 算例分析

2.4.1 折叠结构

2.4.2 张拉整体结构

2.5 本章小结

第3章 折叠结构折展性能与几何参数设计

3.1 折叠结构的折展方式

3.2 折叠结构几何设计

3.2.1 平板折叠结构几何设计

3.2.2 曲面折叠结构几何设计

3.3 折叠结构节点构形

3.4 考虑节点尺寸的折叠结构几何设计

3.4.1 考虑节点尺寸的平板折叠结构

3.4.2 考虑节点尺寸的曲面折叠结构

3.5 折叠结构自锁原理

3.6 折叠全过程参数分析

3.6.1 平板折叠结构折叠过程参数分析

3.6.2 曲面折叠结构折叠过程参数分析

3.7 本章小结

第4章 张拉整体结构初始形态分析

4.1 初始形态分析思路

4.2 力密度法

4.2.1 力密度法原理

4.2.2 初始形态分析的力密度法

4.2.3 力密度法初始形态分析程序设计

4.2.4 张拉整体算例分析

4.3 动力松弛法

4.3.1 动力松弛法原理

4.3.2 动力松弛法迭代计算公式

4.3.3 动力松弛法计算的稳定性和收敛速度

4.3.4 动力松弛法初始形态分析程序设计

4.3.5 动力松弛法算例分析

4.4 张拉整体结构初始形态的简便分析方法

4.5 本章小结

第5章 有限单元法分析张拉整体结构初始形态

5.1 节点力平衡法建立有限元方程

5.2 虚位移原理建立有限元方程

5.3 有限单元法初始形态分析程序

5.3.1 迭代计算的收敛性

5.3.2 张拉整体单体算例分析

5.4 初始形态分析的温度加载法实现

5.5 本章小结

第6章 张拉整体结构的折展性分析及新形式探索

6.1 张拉整体结构的折展原理

6.2 杆元模式折展

6.3 索元模式折展

6.4 新形式探索

6.4.1 剪铰式张拉整体体系

6.4.2 无限张拉整体网格体系

6.5 本章小结

第7章 工程设计方案

7.1 折叠结构方案

7.2 张拉整体结构方案

7.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致谢

个人简历

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摘要

近几十年来,随着人类对太空领域的开发,可展开结构日益受到重视并逐渐应用于建筑领域。可展开结构是具有展开性能的空间结构的统称,结构可由收缩的紧密位形转变为预定的扩展位形,并在扩展位形下具有一定的承载能力。折叠结构和张拉整体结构可以看作由杆系结构演化出来的可展开结构类型。初始形态设计是杆系可展开结构设计的首要工作,相对薄弱的形态设计及折展机制研究是制约该类结构应用发展的瓶颈。因此,对杆系可展开结构的初始形态和折展机制进行系统研究具有十分重要的理论意义和工程价值。
  首先,对杆系可展开结构所特有的一些力学问题进行了深入细致的研究,主要包括以下几个方面:
  1)杆系可展开结构在具有折展性能的同时表现出了机构特征,为保证其可以作为结构承载,首先应当判定结构的几何稳定性。建立了杆系结构的平衡矩阵,并分析了平衡矩阵四个子空间的力学意义。探讨了目前关于体系分类方法中存在的问题,引入线性代数理论中“过定”的概念将体系重新分类,从而使各类体系具有更为明确的物理内涵。各类体系中仅动静不定体系存在几何稳定性判定问题,从平衡矩阵的奇异值分解入手,给出了动静不定体系的几何稳定性判据。
  2)几何设计和节点设计是为了保证折叠结构可以顺利地折展,是折叠结构设计的基础。通过定义自锁折叠结构的基本几何参数,利用解析几何法建立了自锁折叠网架及网壳的几何模型,分析了结构自锁原理的本质。为了避免节点偏心作用和杆件间的摩擦问题,在毂节点的基础上提出了适用于自锁及外加锁式折叠结构的米字和十字焊接钢板节点形式,并设计了合理的节点布置。自锁折叠结构的自锁性能要求结构刚度与柔度间达到某种平衡。考虑节点尺寸修正自锁折叠结构的几何模型并采用ANSYS进行分析,给出了折叠结构各几何参数及截面参数的合理取值区间。
  3)张拉整体结构依靠自应力提供结构刚度,因而初始形态分析中不仅不考虑外荷载,而且外加约束对结构的初始平衡形态没有影响。对现有的初始形态分析方法进行了归纳,现有方法基本都以力密度法、动力松弛法和有限单元法为基础的。结合张拉整体结构初始形态分析的特点推导了力密度法和动力松弛法的基本公式,编制相应的计算程序并分析了程序的计算效率及收敛性。应用相应程序进行了张拉整体结构初始形态的算例验证,分析了力密度法及动力松弛法的适用性。结合上述方法确定的张拉整体结构初始形态,阐明了国外早期应用广泛的几何分析法的力学本质并提出了一种适用于确定简单型旋转对称张拉整体结构初始形态的简便方法。
  4)在由给定的预应力态确定平衡几何的形态分析思路上,前述的力密度法和动力松弛法都不再适用。由于外加约束不影响张拉整体结构的初始平衡形态,故目前形态分析的有限元方法中普遍采用的节点位移法同样不适用。通过节点力平衡法和虚位移原理建立张拉整体结构的有限元基本方程。编制了张拉整体结构初始形态分析的非线性有限元程序,分析了影响收敛性的因素,并提出了采用修正的荷载增量法保证程序计算的收敛性。通过算例分析给出了张拉整体结构给定预应力态及初始几何态的选取建议。在由给定几何确定平衡预应力态的角度,结合温度加载方式提出了一种基于有限元软件确定张拉整体结构初始形态的具体思路和实现方法。
  其次,在土木工程领域要实现张拉整体结构的折展性能,第一通过简单构造产生有限机构,第二要保证结构构件在折展过程中的几何相容性。以这两点为依据系统论述了工程技术领域内存在的张拉整体结构折展的杆元模式和索元模式的可行性,提出了适用于土木工程领域的具体索元折展模式。针对张拉整体结构的特点,构造了剪铰张拉整体网格和无限张拉整体网格。剪铰张拉整体网格是将张拉整体思想和折叠结构的剪铰单元相结合,利用剪铰单元良好的折展可控性和张拉整体结构的预应力提高结构刚度。空间无限张拉整体网格是在平面张拉整体网的基础上提出的,在力学性能上表现出了索穹顶的结构特点。
  最后,在前述研究的基础上,针对折叠结构和张拉整体结构各自的力学特点,分析其作为可展开结构在大跨空间结构中的可行性及适用性。采用两种结构形式分别设计游泳馆的可展开屋盖方案,为其在工程领域的应用奠定了良好的基础。

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