折纸构型可展结构折展过程动力性能研究

来源 :汕头大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:li_heping1986
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可展结构能够通过机构运动实现结构形态的变化,具有运输便利、建造快速以及可重复使用等优点,因而被广泛应用于土木工程、航天航空工程和机械工程等领域。折纸构型可展结构具有突出的折叠能力和良好的力学性能,在可展屋盖中具有较好的应用前景。本文采用理论分析、数值模拟和试验相结合的研究手段,对多种折纸构型可展结构折展过程的动力性能进行研究,主要内容包括:(1)折纸结构的自由度分析。采用改进的平衡矩阵分析方法和模块组装方法对多种折纸结构进行自由度分析。(2)折纸结构折展过程动力分析。基于有限质点法提出了用于折纸结构分析的质点-杆-弹簧模型,发展了基于有限质点法的折纸结构折展过程动力分析方法。通过对折纸结构折展过程的能量守恒分析和运动路径分析,验证了本文方法的正确性和有效性。对单自由度构型和多自由度构型折纸结构折展过程进行了动力分析,结果表明折展过程中的动力效应对折纸结构的展开路径和运动范围具有较大影响。(3)充气折纸结构折展过程动力分析。根据理想气体状态方程,提出了一种简化的双向流固耦合模型,用于分析充气可展结构中气体和结构的耦合问题;基于防御节点法,提出适用于折纸结构的接触碰撞模型,发展了基于有限质点法的充气折纸结构动力分析方法。对两种充气折纸结构折展过程进行了动力分析,验证了提出方法的正确性和有效性。设计了一种充气折纸机械臂,对其运动过程进行了数值模拟,并通过原型试验验证了数值模拟的有效性。(4)基于Miura构型的可展屋盖设计与展开过程分析。采用球面连杆机构对Miura折纸构型的顶点进行运动等效,设计并制作了可展屋盖模型,验证了设计策略的正确性和有效性。基于有限质点法提出柱铰约束处理方法,发展了基于有限质点法的含柱铰连杆机构折展过程动力分析方法,对基于Miura构型的可展屋盖展开过程进行了数值模拟和分析,结果表明可展屋盖的展开速度对结构应力水平有明显影响。(5)可展屋盖与支撑结构的协同分析。发展了基于有限质点法的可展屋盖与支撑结构协同分析方法。采用该方法对杭州奥体网球中心决赛馆的可展屋盖与支撑结构进行了协同分析,验证了提出方法的正确性和有效性。研究了不同展开程度以及展开过程中基于Miura构型的可展屋盖及支撑结构的结构响应特征,结果表明考虑展开过程中可展屋盖与支撑结构的协同分析能充分考虑两者间相互作用及受力变化,且支撑结构的对称设计优于不对称设计。本文为可展结构的动力分析提供了有效的分析方法,揭示了折纸构型可展结构折展过程中的动力性能,为折纸构型可展结构设计、分析和制造提供了理论基础和技术保障。
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