多自应力模态索穹顶结构的几何构造分析

索穹顶结构是发展和推广Fuller张拉整体结构思想后唯一实现的一种新型大跨空间结构,它的几何构造分析是一项非常重要的工作。本文在对一般空间杆件体系的分类、自应力模态和机构位移模态研究的基础上,从索穹顶结构特有的杆件拓扑关系入手,提出了单位整体可行预应力这一新概念,并最终解决了多自应力模态下该体系稳定性判定问题;通过对若干类型索穹顶结构的几何构造分析,得出了一些对结构设计有用的结论。     

基于动力松弛法的松弛索杆体系找形分析

索杆张力结构施工成形分析需要解决一个松弛态索杆系统的平衡形态求解问题,该问题可归结为一个给定构件原长的受荷索杆机构系统的找形问题。文中利用动力松弛法进行该类松弛索杆体系的找形分析。由于不建立刚度矩阵,避免了体系几何不稳定性所引起的刚度矩阵奇异问题。该方法采用悬链线索单元模型,可以考虑索大垂度效应。文中还推导了反映索原长和内力之间关系的悬链线索单元协调方程。通过一个正交松弛索网算例分析,考察了该找形方法的计算精度和收敛性。最后还模拟了一个索穹顶的施工成形过程,表明了该找形方法用于索杆张力结构施工成形分析的有效性。     

葵花型索穹顶结构等效平面桁架静力计算方法

选取n次轴对称葵花型索穹顶结构的1/n,将空间轴对称结构等效为一次超静定平面桁架结构.给出了葵花型索穹顶结构撑杆不在同一径向上的内力和位移处理方法,推导了力法求解约束力的计算公式,提出了小变形时各点位移计算的位移传递矩阵和计算公式.最后,通过一个算例介绍了该方法的计算过程并与有限元计算结果进行了比较,内力和位移误差均在工程设计要求内,验证了方法的正确性和准确性.     

索穹顶结构的找力分析方法--不平衡力迭代法

索穹顶的刚度和承载能力都是通过施加预应力来获取的,预应力设计是对索穹顶进行任何其它分析的基础,所以它的找力分析(Force finding)是一项很重要的工作。本文提出一种找力分析方法———不平衡力迭代法,它可以克服整体可行预应力法的一些不足:即使在索穹顶构件分组发生错误时仍可找到满足已知形状的预应力分布,并且该方法具有良好的稳定性和运算效率,算例表明不平衡力迭代法非常适合大型复杂索穹顶结构的找力分析。     

结构分析中的刚体有限元法

本文给出了KAWAI教授的RBSM(刚体-弹簧模型)的数学解释。传统的以位移法为基础的有限元数值解中,其应力精度低于位移精度,而这里的刚体有限元法(RBFEM)给出的应力精度不会低于甚至高于位移精度,此外,RBFEM大大地减小了总刚的半带宽及体积,因而大幅度地降低了计算量。本文用刚体有限元法进行了静力分析、热应力分析、极限分析和安定分析,得到了相当满意的结果。刚体有限元法以其缩减的计算量及提高的应力精度,可以有利于结构分析,特别是非线性问题的数值解。     

索牵引并联机器人静态平衡位置的正解研究

研究了一种大跨度但运动缓慢的索牵引并联机器人的位置正解问题,此时可认为系统处于静平衡状态,但必须考虑柔索垂度的影响。索牵引并联机器人的静态平衡位置的正解就是确定机器人末端执行器的位置和姿态,使得系统能在给定的柔索长度下处于静平衡状态。这涉及到系统的非线性力学分析而不仅仅是一个几何问题。本文采用悬链线方程描述柔索的力学特性,结合索端位移与机器人末端执行器位移之间的关系推导出机器人的末端执行器位移与索长变化之间的增量关系,据此提出一种迭代策略完成正解计算。数值算例验证了本文方法的有效性。     

平面刚架弹塑性大位移分析的多刚体离散元法

本文基于多刚体－弹簧系统模型，给出了求解平面刚架结构弹塑性、大位移极限承载力分析的多刚体离散元法。文中首先推导了多刚体离散元法在总体坐标下的切线刚度阵，建立多刚体离散元法的增量平衡方程；而后推导了多刚体离散元的弹塑性弹簧系数矩阵，建立了多刚体离散元内力屈服面塑性铰法的增量求解格式，成功地进行了平面钢框架的弹塑性、大位移极限承载力分析。计算结果与其他数值方法或实验结果吻合良好，显示了多刚体离散元方法进行结构极限承载力分析这一复杂问题的优越性     

图像相关位移测量中的预定位搜索法

本文研究了散斑图像中所包合的位移信息后，发现一般情况下，表征被测物体表面变形的位移只有几个像素，而刚体位移却比变形位移大的多、尤其是小视场时刚体位移可达几十个像素．于是，提出了一种直接越过刚体位移的预定位搜索方法，这一方法基本上克服了刚体位移，使相关搜索速度大为提高并通过实验证明了方法的有效性．     

平面刚架弹塑性大位移分析的多刚体离散元法

本文基于多刚体－弹簧系统模型，给出了求解平面刚架结构弹塑性、大位移极限承载力分析的多刚体离散元法。文中首先推导了多刚体离散元法在总体坐标下的切线刚度阵，建立多刚体元法的增量平衡方程。     

张拉结构非线性分析的五节点等参单元

本文针对张拉结构的特点，提出了一种五节点等参数单元有限元模型，采用四次多项式作为位移插值函数及单元初始形状函数，并假定索是理想柔性的且满足虎克定律，基于修正的Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ坐标描述法，建立了非线性有限元基本方程和切线刚度矩阵，利用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法进行了实例计算。结果表明：本文方法精度极高，可供大跨度索网，索穹顶，拉线塔等张拉结构分析，设计时采用。     

Application of the integral manifold method to the analysis of the spatial motion of a rigid body fixed to a cable

We analyze the spatial motion of a rigid body fixed to a cable about its center of mass when the orbital cable system is unrolling. The analysis is based on the integral manifold method, which permits separating the rigid body motion into the slow and fast components. The motion of the rigid body is studied in the case of slow variations in the cable tension force and under the action of various disturbances.We estimate the influence of the static and dynamic asymmetry of the rigid body on its spatial motion about the cable fixation point. An example of the analysis of the rigid body motion when the orbital cable system is unrolling is given for a special program of variations in the cable tension force. The conditions of applicability of the integral manifold method are analyzed.     

Synthesis of a controller for stabilizing the motion of a rigid body about a fixed point

A method for the approximate design of an optimal controller for stabilizing the motion of a rigid body about a fixed point is considered. It is assumed that rigid body motion is nearly the motion in the classical Lagrange case. The method is based on the common use of the Bellman dynamic programming principle and the averagingmethod. The latter is used to solve theHamilton–Jacobi–Bellman equation approximately, which permits synthesizing the controller. The proposed method for controller design can be used in many problems close to the problem of motion of the Lagrange top (the motion of a rigid body in the atmosphere, the motion of a rigid body fastened to a cable in deployment of the orbital cable system, etc.).     

Prestress design of cable domes with new forms

Cable domes have been employed as lightweight, large span roofs. In this paper, several new forms of cable domes are first presented and their geometric feasibility is discussed. A general method, referred to as the DSVD, is next proposed for the determination of the integral prestress modes for various cable domes. Optimum prestressing of domes with a single or with multiple integral prestress modes is also examined. The proposed method is verified through numerical simulations, and is believed to provide a helpful tool in the preliminary design of cable domes.     

THE APPLICATION OF VARIATIONAL MULTISCALE METHOD ON A ONE-DIMENSIONAL MECHANICAL MODEL

将变分多尺度方法应用于一维缆索模型,导出受力缆索的宏观有限元模型并求得细观位移解析解,总结出变分多尺度方法应用于具体模型的关键点和缺陷. 假定刚度为常值,数值模拟一定边界和受力下的缆索,得到宏观和细观位移. 将细观与宏观位移叠加,相比于精确位移得出：细观位移可视为常规有限元模型的后验误差. 变分多尺度方法在一维力学模型中的成功应用,推进了其实用性,为其在更多力学及工程问题中的运用和发展提供了参考.     

超声散斑数字相关法应用于刚体面内转动测量的研究

在激光数字散斑相关法测量理论的基础上,阐述了超声散斑相关法测量的基本原理,并建立了相应的超声散斑数字相关实验分析系统。在实验分析时,首先应用模拟测量的方法对刚体面内转动对散斑场相关性的影响进行了分析;然后应用实验测量的方法再对此进行了分析;最后对刚体未知面内转角进行了实测。实验结果表明,刚体面内转动可测量的最大转角为9°,当转动角度为10°时,误差大于9%。实验中分别应用了爬山搜索法和相关系数拟合法来分别搜索整像素的位移和亚像素的位移。     

超声散斑数字相关法应用于体面内转动测量的研究

在激光数字散斑相关法测量理论的基础上,阐述了超声散斑相关法测量的基本原理,并建立了相应的超声散斑数字相关实验分析系统。在实验分析时,首先应用模拟测量的方法对刚体面内转动对散斑场相关性的影响进行了分析;然后应用实验测量的方法再对此进行了分析;最后对刚体未知面内转角进行了实测。实验结果表明,刚体面内转动可测量的最大转角为9°,当转动角度为10°时,误差大于9%。实验中分别应用了爬山搜索法和相关系数拟合法来分别搜索整像素的位移和亚像素的位移。     

基于欧拉描述的两节点索单元非线性有限元法

本文针对柔性悬索结构几何非线性分析的特点,提出了一种用欧拉描述来表示的两节点索单元非线性有限元模型,在索元变形后的位置上由虚功能建立了非线有限元基本方程及切线刚度矩阵。这样建立的非线性有限元分析方法可充分考虑拉索的几何非线性特性的影响并给悬索结构的初始平衡分析带来方便,算例结果表明,本文方法是精确有效的。