張拉整體棱柱結構分析.pdf

1、張拉整體結構是一種由壓桿和拉索組成的特殊張拉桁架結構，結構中的構件只承受軸向載荷，這種獨特的力分配方式使得張拉整體結構質量顯著減小，在近年來成為雕塑、建筑、航空等領域的研究熱點。當前，對張拉整體結構的研究主要集中在找形、平衡條件分析以及動力學研究等方面，對基本棱柱單元結構的研究尚未形成統(tǒng)一的理論。本文將以最基本的單元棱柱結構為研究對象，對張拉整體結構的相關問題進行進一步研究。
　　對于張拉整體棱柱單元結構的構型問題，本文從棱柱結構

2、的外形幾何參數(shù)出發(fā)，根據(jù)張拉整體棱柱的結構特點，確定節(jié)點排序，推導計算節(jié)點矢量矩陣，分析節(jié)點與桿索構件的連接關系，推導計算桿索構件的連接矩陣及矢量矩陣，完成結構數(shù)學模型和構型理論的構建，實現(xiàn)張拉整體結構在任意幾何參數(shù)下的構型。在棱柱結構的數(shù)學模型的基礎上，通過改變截面圓半徑，完成棱柱結構向棱臺結構的轉變。
　　針對棱柱結構的穩(wěn)定性問題，本文依據(jù)張拉整體結構的數(shù)學模型，建立結構的力平衡方程，使用奇異值分解法分析結構的平衡矩陣，確定結

3、構的體系分類，利用結構的自應力模態(tài)和機構位移模態(tài)，求解不平衡力，完成結構的穩(wěn)定系判定。引入構件力密度，把構件內力與構件矢量直接聯(lián)系起來，確定各變量與節(jié)點矢量的關系，通過矩陣理論推導獲得結構的剛度矩陣，完成張拉整體結構（預應力結構）的剛度分析。同時，對張拉整體結構保持平衡的必要條件進行了分析，以張拉整體棱柱為實例，完成棱柱結構的剛度和穩(wěn)定性分析。
　　張拉整體結構中的構件只承受軸向力的特點，使得結構最小質量設計成為可能。通過將結構的

4、受力向節(jié)點等效分布，建立結構在單一或復雜載荷下的質量優(yōu)化模型，以系統(tǒng)的節(jié)點矢量矩陣為基礎，建立系統(tǒng)的力學模型，在屈服極限下分析構件的最小質量，實現(xiàn)結構的最小質量設計。由于壓桿構件在外力下可能發(fā)生彎曲，結構的質量分析須兼顧屈服和屈曲兩種極限受力狀態(tài)。以張拉整體棱柱為實例，分析結構中構件的長度、力密度與結構參數(shù)的關系，求解了結構在屈服極限下的最小質量，驗證了最小質量理論的正確性
　　復雜的張拉整體結構均由簡單的單元結構組合而成，將張拉

5、整體棱柱結構作為基本單元進行結構拓撲，完成棱柱結構沿軸向、周向的結構拓撲，得到圓柱型結構、圓環(huán)型結構、雙單元棱柱以及截角棱柱等各種新型張拉整體結構。沿棱柱結構軸向組合，得到圓柱型結構，通過改變其徑向截面，得到不同結構特點的圓柱型結構；將圓柱型結構進行彎曲變形，得到圓環(huán)型結構。利用棱柱結構對稱組合，得到了克服其容易扭轉缺點的雙單元棱柱結構，在此基礎上拓撲組合獲得了柱形和環(huán)形結構。通過棱柱和棱臺單元結構的混合組合，得到了不同特性的截角棱柱結