【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(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性上,分析結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng)控制,也就是張拉整體機(jī)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(xì)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(jí)三桿棱柱型張拉整體結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象,以實(shí)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(dòng)力學(xué)模型,分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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?jī)?nèi)容有以下幾個(gè)方面:本課題利用動(dòng)態(tài)松弛法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的找形分析。動(dòng)態(tài)松弛法是一種偽動(dòng)態(tài)方法,模擬結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程,在虛擬阻尼作用下最終運(yùn)動(dòng)靜止在平衡位置。根據(jù)動(dòng)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(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的找形分析,并驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性。本課題利用動(dòng)態(tài)松弛法與解非線性方程組結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)新的找形與靜力響應(yīng)分析,同時(shí)提高找形和求解的速度。張拉整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型是結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的關(guān)鍵,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中桿的質(zhì)量要遠(yuǎn)大于繩的質(zhì)量,所以只考慮桿的動(dòng)力學(xué)特性。因?yàn)槊扛鶙U有獨(dú)立的運(yùn)動(dòng),所以動(dòng)力學(xué)模型抽象為為多剛體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)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?jiǎng)恿Ψ匠摊B加到節(jié)點(diǎn)處,得到所有節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力方程。因?yàn)榇嬖谥s束,部分節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到限制。用結(jié)構(gòu)的自由節(jié)點(diǎn)和約束方程表示所有節(jié)點(diǎn),動(dòng)力學(xué)模型最終最終化簡(jiǎn)為關(guān)于自由節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的動(dòng)力學(xué)模型,即最小動(dòng)力學(xué)模型。由于結(jié)構(gòu)具有大量彈性單元,動(dòng)力平衡方程中有很強(qiáng)非線性,結(jié)構(gòu)約束力方程與動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)。最后,實(shí)現(xiàn)兩級(jí)張拉整體結(jié)構(gòu)對(duì)期望軌跡的跟蹤。結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)通過控制繩長(zhǎng)改變,以上平臺(tái)六自由度位姿描述結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。將運(yùn)動(dòng)過程分解為運(yùn)動(dòng)學(xué)反解與運(yùn)動(dòng)模擬兩部分。運(yùn)動(dòng)學(xué)反解利用靜力平衡方程求解給定軌跡下繩索長(zhǎng)度改變量;運(yùn)動(dòng)模擬分析給定繩長(zhǎng)變化下結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)載荷會(huì)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(duì)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(gè)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(shí)載荷會(huì)沿著拉力單整個(gè)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(diǎn)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(duì)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2554274