新型可展結(jié)構(gòu)形態(tài)分析與運(yùn)動(dòng)過程研究.pdf

1、可展結(jié)構(gòu)是一類可以自由地大尺度改變幾何構(gòu)形的結(jié)構(gòu)。它們可以從體積較小的閉合或者收縮狀態(tài)變換到開啟或者展開狀態(tài)。相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，可展結(jié)構(gòu)具有建造速度快、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，而且便于運(yùn)輸和存儲(chǔ)，可反復(fù)使用，因而在民用、軍事、航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
　　 本文針對可展結(jié)構(gòu)的共性問題及關(guān)鍵技術(shù)，采用理論分析、數(shù)值模擬、物理模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，對多種新型可展結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)過程以及受力性能進(jìn)行了深入的研究，具體研究內(nèi)容及成果包括

2、:
　　 (1)結(jié)合螺旋互易定理，利用兩個(gè)連桿公共節(jié)點(diǎn)處約束螺旋相等，證明了Hoberman連桿機(jī)構(gòu)、交叉以及非交叉成角度剪式單元的可動(dòng)性。隨后，利用剪式單元組成連桿機(jī)構(gòu)體系，其自由度為體系約束方程Jacobian矩陣的零向量空間數(shù)量。在對由Hoberman剪式單元組成的徑向可開啟平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析的基礎(chǔ)上，深入研究了體系閉合后的受力性能以及開啟閉合過程中的受力性能。
　　 (2)依據(jù)平面四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出

3、了一類可應(yīng)用于開啟式屋蓋的折疊網(wǎng)架體系，分析了屋蓋體系在完全閉合狀態(tài)的受力性能，并對體系的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了深入的研究。同時(shí)研究了四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程數(shù)值模擬中的運(yùn)動(dòng)奇異點(diǎn)問題，采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣法對連桿機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算，對于體系在一般位形時(shí)采用一階分析，即傳統(tǒng)的算法，并利用預(yù)測——修正方法進(jìn)行計(jì)算;在結(jié)構(gòu)的分歧點(diǎn)引入了高階方程來求解結(jié)構(gòu)體系下一步可能的運(yùn)動(dòng)路徑。
　　 (3)從能量的角度出發(fā)，建立了基于梯度優(yōu)化的索桿體系找形

4、方法。利用Lagrange乘子法將約束條件添加到目標(biāo)函數(shù)中，并應(yīng)用梯度法進(jìn)行優(yōu)化，從而得到考慮約束條件索桿張力結(jié)構(gòu)的形狀。在給定初始條件下，該方法可以找到同時(shí)滿足能量最小和一定形態(tài)要求的索桿張力體系。提出了兩種折疊索穹頂方案，并以體系剛度最大、預(yù)應(yīng)力分布均勻以及拉索受拉、壓桿受拉為目標(biāo)函數(shù)，利用優(yōu)化方法尋找自應(yīng)力模態(tài)組合系數(shù)。
　　 (4)分別基于CP和DP索桿單元，提出了新型索桿式折疊網(wǎng)格體系，給出了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，利用模

5、型試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。利用有限元軟件分析了兩種體系在完全展開狀態(tài)下的受力性能，針對兩種常見的荷載工況:滿跨均布荷載和非對稱荷載，分析了結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移隨荷載變化的規(guī)律。另外，為了深入理解預(yù)應(yīng)力水平、溫度變化以及拉索破斷等參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)的影響，本文還對新型索桿式折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)分析，得出了一些有益的結(jié)論。
　　 (5)針對傳統(tǒng)銷接節(jié)點(diǎn)連接平面四連桿機(jī)構(gòu)時(shí)出現(xiàn)的拓?fù)涓缮鎲栴}，給出了板殼之間連接滾動(dòng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，并

6、提出了一種折疊板開合屋蓋體系。利用大型商用軟件Pro/Engineering模擬滾動(dòng)節(jié)點(diǎn)及其連接四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，從而驗(yàn)證了理論分析的正確性。并對滾動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了研究。
　　 (6)以球面四連桿機(jī)構(gòu)為基本單元，提出了一種環(huán)向運(yùn)動(dòng)的開啟屋蓋體系。首先推導(dǎo)了球面四連桿機(jī)構(gòu)的閉合方程，討論了球面四連桿機(jī)構(gòu)的兩種組合方式，并對其運(yùn)動(dòng)過程中的幾何特性進(jìn)行了分析。然后針對折疊體系的特點(diǎn)，給出了不考慮連接方式的折紙模型

7、以及滾動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接模型的設(shè)計(jì)方案，并制作了相應(yīng)的物理模型。通過物理模型驗(yàn)證了提出的環(huán)向開啟屋蓋體系是可行的。
　　 (7)利用兩種改進(jìn)的Miura折紙模型——變角度Miura折紙模型和變長度Miura折紙模型，制作成在運(yùn)動(dòng)過程中具有一定曲率的折疊體系，并結(jié)合球面三角學(xué)理論對四折痕折紙單元進(jìn)行研究，將所推導(dǎo)的公式應(yīng)用于兩種折疊體系的運(yùn)動(dòng)過程研究中。針對基于六折痕折紙單元柱面殼折疊體系的特點(diǎn)，討論了折紙單元頂角、三角板數(shù)目等對體系折疊

8、過程的影響。
　　 (8)建立了雙穩(wěn)態(tài)桿件主要受力元件的受力模型。分別利用Mises桁架模型、曲梁（淺拱）模型來模擬雙穩(wěn)態(tài)桿件的受力元件，淺拱模型中考慮了屈曲前非線性對淺拱失穩(wěn)的影響。對于Mises桁架模型，通過體系的總勢能對桁架頂點(diǎn)坐標(biāo)取駐值求得非線性平衡方程;對于拋物線形三鉸淺拱模型，利用能量方法推導(dǎo)其平衡方程、失穩(wěn)臨界荷載的求解公式以及失穩(wěn)后拱的平衡方程，從而求得其受力的全過程反應(yīng)。并討論相鄰桿件剛度對其受力性能的影響。<

9、br>　　 (9)將常規(guī)剪式單元的銷接節(jié)點(diǎn)改為鉸接節(jié)點(diǎn)，將增加其組成體系的自由度，從而可以使體系運(yùn)動(dòng)至多個(gè)幾何狀態(tài)，然后通過施加外部約束，使這些構(gòu)形成為可以承受外荷載的穩(wěn)定狀態(tài)。本文通過設(shè)置拉索的方式，在體系運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)剛化體系。研究了索桿式多穩(wěn)態(tài)體系的幾何構(gòu)成，并對其自由度、幾何設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了深入的分析。
　　 (10)利用拉索長度的變化規(guī)律，得到了多穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程中的受力性能，并討論了不對稱構(gòu)形以及倒角對