【摘要】：張拉整體結(jié)構(gòu)由受壓的桿單元和受拉的繩單元組成,桿單元之間無力矩作用,依靠單元的內(nèi)力維持自平衡。張拉整體結(jié)構(gòu)最初出現(xiàn)在藝術(shù)領(lǐng)域,理論研究以靜力學(xué)為主。后來研究重點逐漸轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性上,分析結(jié)構(gòu)的運動過程與控制。張拉整體結(jié)構(gòu)可以通過變形改變特性或?qū)崿F(xiàn)運動,目前張拉整體結(jié)構(gòu)研究最多的方向仍是結(jié)構(gòu)的運動控制,也就是張拉整體機器人。此外近期的研究表明,在生物體中存在許多符合張拉整體原理的體系,大到生物的骨骼與腱,小到細胞骨架結(jié)構(gòu),從仿生學(xué)角度分析張拉整體結(jié)構(gòu)更符合自然界的規(guī)律。本課題以兩級三桿棱柱型張拉整體結(jié)構(gòu)為主要研究對象,以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的軌跡跟蹤為目的,分析結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性。建立結(jié)構(gòu)多桿動力學(xué)模型,分析結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)過程,實現(xiàn)運動軌跡跟蹤,為張拉整體結(jié)構(gòu)未來的研究和應(yīng)用作鋪墊。本文的主要研究內(nèi)容有以下幾個方面:本課題利用動態(tài)松弛法進行結(jié)構(gòu)的找形分析。動態(tài)松弛法是一種偽動態(tài)方法,模擬結(jié)構(gòu)的運動過程,在虛擬阻尼作用下最終運動靜止在平衡位置。根據(jù)動態(tài)松弛法的原理完成迭代算法,以靜力平衡方程作為算法終止判據(jù),進行不同結(jié)構(gòu)的找形分析,并驗證結(jié)果準(zhǔn)確性。本課題利用動態(tài)松弛法與解非線性方程組結(jié)合的方法,實現(xiàn)新的找形與靜力響應(yīng)分析,同時提高找形和求解的速度。張拉整體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型是結(jié)構(gòu)運動分析的關(guān)鍵,因為結(jié)構(gòu)中桿的質(zhì)量要遠大于繩的質(zhì)量,所以只考慮桿的動力學(xué)特性。因為每根桿有獨立的運動,所以動力學(xué)模型抽象為為多剛體動力學(xué)模型進行分析。建立單桿在繩單元力、外力以及約束力作用下的牛頓-歐拉方程,利用連通性矩陣將單元動力方程疊加到節(jié)點處,得到所有節(jié)點的動力方程。因為存在著約束,部分節(jié)點的運動會受到限制。用結(jié)構(gòu)的自由節(jié)點和約束方程表示所有節(jié)點,動力學(xué)模型最終最終化簡為關(guān)于自由節(jié)點坐標(biāo)的動力學(xué)模型,即最小動力學(xué)模型。由于結(jié)構(gòu)具有大量彈性單元,動力平衡方程中有很強非線性,結(jié)構(gòu)約束力方程與動力學(xué)方程形式分別為代數(shù)方程和微分方程,屬于代數(shù)微分方程組。本文通過方程變形來求解系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。最后,實現(xiàn)兩級張拉整體結(jié)構(gòu)對期望軌跡的跟蹤。結(jié)構(gòu)的運動通過控制繩長改變,以上平臺六自由度位姿描述結(jié)構(gòu)的運動軌跡。將運動過程分解為運動學(xué)反解與運動模擬兩部分。運動學(xué)反解利用靜力平衡方程求解給定軌跡下繩索長度改變量;運動模擬分析給定繩長變化下結(jié)構(gòu)的運動情況。通過跟蹤不同軌跡,分析結(jié)構(gòu)跟蹤的性能以及誤差。
【圖文】：

a）x-模型 b）針?biāo)䦂D 1-1 Snelson 制作的張拉整體結(jié)構(gòu)模型領(lǐng)域，，一個比較多的應(yīng)用是索穹頂類的建筑，如圖 1-2 所加拿大蒙特利爾自然生態(tài)博物館，受壓構(gòu)件一般用鋼筋。從受力性能來看，張拉整體結(jié)構(gòu)在受到外力時載荷會沿構(gòu)中，而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是通過剛性單元來傳遞力，這種方式部受力過大的情況，可以使結(jié)構(gòu)均勻的承受載荷。而如圖里帕爾大橋，對于這種大跨度的建筑結(jié)構(gòu)來說，張拉整體很好的作用。

a）x-模型 b）針?biāo)䦂D 1-1 Snelson 制作的張拉整體結(jié)構(gòu)模型在建筑領(lǐng)域，一個比較多的應(yīng)用是索穹頂類的建筑，如圖 1-2 所示的是 修建的加拿大蒙特利爾自然生態(tài)博物館，受壓構(gòu)件一般用鋼筋混凝土或混凝土。從受力性能來看，張拉整體結(jié)構(gòu)在受到外力時載荷會沿著拉力單整個結(jié)構(gòu)中，而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是通過剛性單元來傳遞力，這種方式的優(yōu)點是出現(xiàn)局部受力過大的情況，可以使結(jié)構(gòu)均勻的承受載荷。而如圖 1-3 所示亞的庫里帕爾大橋，對于這種大跨度的建筑結(jié)構(gòu)來說，張拉整體結(jié)構(gòu)的力夠發(fā)揮很好的作用。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻】

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本文編號：2554274