基于环索内力相等的椭球形弦支穹顶结构的预应力分析

当椭球形弦支穹顶结构的同圈环索内力相等时,张拉环索是一种高效的预应力施加方式。该文利用平衡矩阵理论分析了3种常见椭球形弦支穹顶索撑体系的可行预应力模态,发现了当索撑体系的超静定次数不小于环索单元数时同圈环索内力可相等的规律。然而相比联方型和凯威特型椭球索撑体系,肋环型索撑体系的超静定次数低,同圈环索内力不能相等,导致不能直接采用张拉环索方式施加预应力。为使肋环型椭球弦支穹顶的同圈环索内力相等,采用扩展力密度法对其索撑体系重新找形分析,得到了同圈环索内力相等的改进肋环型椭球索撑体系。最后对一肋环型椭球弦支穹顶算例进行了找形分析验证,并利用ANSYS有限元软件对传统型和改进型肋环椭球弦支穹顶进行了力学性能的对比分析,提出了张拉环索施工时将张拉点布置在长轴方向下方的建议,这为以后类似工程的施工设计提供了参考依据。     

张弦梁结构若干问题的探讨

张弦梁(桁架)结构已在我国大型工程中有所应用,但对该种结构的设计和施工过程的理论研究并不完善。对张弦梁结构设计和施工过程中的若干问题进行了较为深入的理论研究,包括该结构各个单元的预应力分布、施工过程的模拟分析等。首先,将平衡矩阵理论推广应用于包含索杆梁三种单元的杂交空间结构,给出了二节点梁单元和杆单元单元平衡矩阵的一般表达式,并对一小型张弦梁结构的整体平衡矩阵进行了分析,求得其独立自应力模态数为一。其次,提出了基于将索、杆单元和梁单元分开的结构分块的分析方法--局部分析法。该方法不仅可以用来求解张弦梁结构的初始预应力分布,同时也可以用于确定体系的零状态几何形状。因而求解张弦梁结构初始预应力分布就有了两种方法。最后,算例分析验证了方法的正确性。     

一种索穹顶结构初始预应力分布确定的新方法—预载回弹法

对索穹顶结构初始预应力分布的确定进行了研究,提出一种新方法—预载回弹法。该方法首先对索穹顶施加一个预设荷载,提取有利于抵抗预设荷载的内力分布。将该组内力作为预应力施加至结构上,并撤除预载,使结构回弹,通过两阶段变弹性模量迭代计算,收敛后可获得索穹顶结构的整体可行预应力分布。该方法通过施加对称荷载,即可自动实现单元的分组,便于整体可行预应力的判定,并可直接获得多自应力模态结构的优化初始预应力分布。通过算例证明预载回弹法具有很高的精度、较快的收敛速度,求得的整体可行预应力分布直接适用于实际工程应用。     

基于指数应变能密度的弦支穹顶结构失效准则研究

针对弦支穹顶结构缺少失效判断准则问题,基于结构整体指数应变能密度对弦支穹顶结构在地震作用下的受力状态进行了分析,提出了弦支穹顶结构的失效判定准则。给出了弦支穹顶结构的指数应变能密度和值(Id)的计算公式,并定性地推导了Id随加速度幅值(A)增加能够发生突变的机理,从而奠定了判断结构失效的理论基础。应用ANSYS有限元通用程序对9个不同构造的弦支穹顶结构分别在三向简谐波和TAFT地震波作用下的特征响应进行了全荷载域动力时程分析,并实时提取出各级动荷载幅值下结构全部单元的应变能密度。构建了弦支穹顶结构的Id-A关系模型,并通过分析结构的不同受力状态证实了Id-A曲线上拐点的存在。提出了基于指数应变能密度的弦支穹顶结构的失效荷载判定准则。基于分析所选弦支穹结构动力失效时刻的最大节点位移等动力响应特征,证明了所提出的失效准则的合理性。所提出的弦支穹顶结构失效判断准则及其分析方法,将对完善空间网格结构的设计理论及工程实践具有重要的参考价值。     

张拉整体结构的预应力优化

张拉整体结构属于一种崭新的张拉结构体系，结构中索单元的初始预应力在结构的成型态和荷载态都起着关键作用。本文应用最优化原理，提出了张拉结构中索单元初始预应力的优化调整方法，通过对一张拉整体索穹顶模型结构的分析比较，验证了本文调整方法的合理性。     

联方型双撑杆索穹顶考虑自重的预应力计算方法

为了改善传统索穹顶结构的受力性能,该文提出了一种联方型双撑杆索穹顶结构,该索穹顶的上弦节点与两根斜撑杆相连,稳定性好并且便于张拉施工。针对联方型双撑杆索穹顶的找力分析问题,根据节点平衡方程,推导出考虑结构自重时索穹顶的预应力计算公式;给出了不同参数下联方型双撑杆索穹顶的预应力计算表,分析了该结构的受力特性;比较了考虑结构自重和不考虑结构自重时索穹顶初始预应力的差别,并采用有限元迭代法对比验证了理论公式的准确性。分析结果表明:随着矢跨比和撑杆高度的增大,结构中所有构件的初始预应力将减小;在自重荷载下,内圈脊索内力降低,最外圈斜索和环索内力显著增加;采用该文提出的理论公式可快速准确的获得考虑结构自重时联方型双撑杆索穹顶的实际预应力分布,为工程设计提供参考。     

蜂窝三撑杆型索穹顶结构构形和预应力态分析研究

该文详细研讨了一种新颖的蜂窝三撑杆型索穹顶,索穹顶结构的上弦索平面投影为蜂窝状网格,与下弦节点相连的有三根撑杆。不采用上下弦只有一根垂直水平面撑杆的"拉索海洋和压杆孤岛"传统张拉整体Fuller构想。这种新型蜂窝三撑杆型索穹顶的提出,即减少了环索与斜索用量,又提高了撑杆及结构的整体稳定性。该文对索穹顶预应力态采用节点平衡方程,详细推导和建立了蜂窝三撑杆型索穹顶索杆内力的一般性计算公式,对若干参数的索穹顶给出了索杆预应力的计算用表和大量的算例分析,以诠释索穹顶预应力态的分布规律和受力特性。该文的研究为索穹顶结构的选型和设计提供了一种新方案、新形体。     

索穹顶结构非线性分析的杆索有限元法

索穹顶结构是大变形柔性组合结构，其受力分析属于几何非线性问题，求解较复杂。本文应用有限元法，结合索穹顶结构特征，提出三节点等参数索单元与两节点杆单元相结合的混合有限元模式。基于Lagrangian坐标描述法和虚功原理推导了空间拉索和杆单元的大位移刚度矩阵，并建立了索穹顶结构非线性分析的增量平衡方程，利用NewtonRaphson法进行了实例计算。结果表明，本文方法精度很高，适合于索穹顶结构的空间非线性分析。     

动力松弛法在索穹顶结构形状确定中的应用

索穹顶结构的成形分析是该体系的基础问题,由于包含刚体位移使得跟踪难度相当大。基于改进动力松弛法对结构施工过程进行计算,采用拆除张拉索段,代以两个固定的集中力施加在该索两端节点的方法,克服了因其刚体位移而造成的分析困难。该方法操作简单且力学概念明确,算例和模型试验表明其能够应用于不同的索穹顶结构和索杆张拉结构的施工模拟。     

弦支穹顶环索连续贯通的摩擦问题分析

在弦支穹顶结构工程中,环索通常连续贯通。为了能够准确、便捷地分析摩擦力在贯通环索张拉成型过程中的影响,该文利用一个4节点4单元算例,对张拉过程中单元内力的变化与分布进行了详细的阐述,并利用贯通环索在张拉滑动前后其无应力长度相等的原则,提出了贯通环索在张拉过程中摩擦力的计算方法。并利用这一摩擦力的计算方法,以摩擦系数、张...     

弦支穹顶结构的模型设计与试验研究

弦支穹顶结构由上部单层网壳和下部索杆系统组成。为进一步了解弦支穹顶结构的力学性能与施工张拉过程,以一跨度为122m的实际工程,制作了8∶122的缩尺模型。在模型的制作过程中,首先利用相似原理进行了各参数相似比的确定,然后进行了上部网壳、下部索杆和连接节点的设计与制作,同时针对试验内容与模型特点进行了应力与位移测点的布置...     

动态有限元模型修正中灵敏度分析的迭代LANCZOS方法

本文提出了特征向量导数计算的选代Ｌａｎｃｚｏｓ方法，与截断Ｌａｎｃｚｏｓ方法相比，大大提高了灵敏度分析的效率。文中给出了ＦＯＲＫ和３Ｄ—ＦＲＡＭＥ两种结构为实例的计算机仿真，证明本方法不仅能充分保证精度，而且提高了计算速度。     

Optimal tolerance re-allocation for the generative process sequence

In generative process planning, the sequence of machining processes is decided according to the specifications of parts, such as tolerance values. However, in order to obtain the minimal manufacturing cost, the machining process sequence needs to be considered before tolerances are assigned. It is therefore difficult to assign optimal tolerances so that a minimum manufacturing cost is achieved. This paper presents an iterative approach for reallocation of tolerance within the given functional constraints to minimize the manufacturing cost. With the given values of tolerance and corresponding process sequences, which are derived from a handbook or a designer's experience as initial inputs, each iteration of tolerance re-allocation tries to improve the total cost by shifting tolerances along the different processes in the current sequence. The re-allocation problem is formulated as a mixed integer nonlinear programming problem. The Lagrange Multiplier method has been used to solve nonlinear programming, and an exhaustive search method has been adopted to guarantee the global optimum in solving the zero-one algorithm. A prototype system has been implemented in an object-oriented programming environment and a case study is presented to demonstrate the capability of the system.     

Determination of a unique configuration of free-form tensegrity structures

A numerical method is presented for form-finding of free-form tensegrity structures. The topology and an initial randomly generated force density vector are the required information in the present form-finding process. An approach of defining a unique configuration of free-form tensegrity structures by specifying an independent set of nodal coordinates is rigorously provided, which means that the geometrical and mechanical properties of the structure can be at least partly controlled by the proposed method. Several numerical examples are presented to demonstrate the efficiency and robustness in searching new self-equilibrium stable free-form configurations of tensegrity structures.     

基于层次模糊推理的施工机群动态调度方法研究

以Zadah的模糊数学理论为基础,结合决策融合技术提出了一种基于层次模糊推理的施工机群动态调度方法。与传统的单层模糊调度控制方法相比,该方法具有建模简单且可扩展性好的优点,同时避免了单层推理的维数灾难问题。将该方法应用于施工机群的动态调度系统中,按照生产情况对施工系统进行了建模仿真,仿真结果和调度实例证明了该方法的有效性和合理性。该方法为机群施工以及与之相似的生产施工的调度提供了技术框架。     

Modification of iterative processes for improved convergence characteristics

A method for improving the convergence rate of iterative processes is presented. This method monitors the sequence of approximations produced by an iterative process, and generates a new iterative process, or sequence of processes, each with more rapid convergence characteristics than the previous one. This method of process modification can be applied to many iterative techniques currently in use. Examples of application of the method are given, using both nonlinear and linear systems. In one of these examples it is shown that the method can be applied to a divergent iterative process, producing a convergent one. It is also shown how the technique can be applied to equations of one variable, yielding a method with convergence characteristics similar to those of Newton's method, but without the explicit calculation of derivatives.     

船舶典型管路系统低噪声设计研究

针对船舶典型管路系统振动噪声控制涉及元件多、技术要求高和施工难度大等难题,提出一种综合考虑管路系统结构参数、流体性能和实船安装因素的低噪声设计方法。首先,采用传递矩阵法建立直管、弯管、法兰、弹性支撑、挠性接管等典型管路元件的传递矩阵,给出管路系统的固有频率和振动响应;其次,设计管路系统计算模型,通过ABAQUS有限元仿真得到挠性接管和弯管对管路系统的影响规律;最后,开展管路系统低噪声设计试验。仿真分析和试验结果表明,管路系统低噪声设计模型是有效的,并给出工程应用中挠性接管、弯管等典型管路元件低噪声安装的建议。     

Design and control of compliant tensegrity robots through simulation and hardware validation

To better understand the role of tensegrity structures in biological systems and their application to robotics, the Dynamic Tensegrity Robotics Lab at NASA Ames Research Center, Moffett Field, CA, USA, has developed and validated two software environments for the analysis, simulation and design of tensegrity robots. These tools, along with new control methodologies and the modular hardware components developed to validate them, are presented as a system for the design of actuated tensegrity structures. As evidenced from their appearance in many biological systems, tensegrity (‘tensile–integrity’) structures have unique physical properties that make them ideal for interaction with uncertain environments. Yet, these characteristics make design and control of bioinspired tensegrity robots extremely challenging. This work presents the progress our tools have made in tackling the design and control challenges of spherical tensegrity structures. We focus on this shape since it lends itself to rolling locomotion. The results of our analyses include multiple novel control approaches for mobility and terrain interaction of spherical tensegrity structures that have been tested in simulation. A hardware prototype of a spherical six-bar tensegrity, the Reservoir Compliant Tensegrity Robot, is used to empirically validate the accuracy of simulation.     

混合能消元法在受约束非线性控制系统中的应用

本文基于结构力学与最优控制的相似性原理，采用结构力学中的多重子结构法处理受约束非线性控制系统的计算问题。对非线性系统和非线性约束首先进行线性化；进而给出时段的混合能定义；然后根据变分原理，给出时段混合能的消元公式；最后建立起受约束非线性控制系统求解的迭代算法，并给出相应的数值例题。     

混凝土浇筑期高大模板支撑体系的受力性能研究

为了掌握混凝土浇筑期高大模板支撑体系的受力性能,实地搭建8m高扣件式模板支架进行试验。通过吊装钢渣加载的方式模拟混凝土浇筑过程,测试模板下立杆轴力变化进行,给出了荷载施加顺序和支架受力的关系;提出了有限元建模方法对浇筑期支撑体系的工作状态进行模拟,通过对比发现本文提出的方法可以较为有效地计算立杆受力;将试验结果与现行规范计算结果进行对比,发现了现行规范存在的不足。