新型六杆四面体扭网壳的构形、静力和稳定性能

提出了一种基于投影平面为四边形的六杆四面体单元组成的新型扭网壳(简称六杆四面体扭网壳),研讨了六杆四面体扭网壳结构的构形,它构造简单,节点和杆件数相对较少,网格抽空率高,兼有单层和双层网壳的优点.针对上、下弦节点为半刚接半铰接六杆四面体单块扭网壳作了静力和线性与非线性稳定性分析,结果表明上弦杆全部受压,下弦杆全部受拉,腹杆除周边一、二圈局部杆件受压外大部分也都受拉,各类杆件内力变化幅度很小,有利于杆件截面选配,提高材料的利用效率.结构的整体刚度好,结构的双非线性稳定系数对比于相应特征值屈曲系数降幅很小,用钢指标优越.这类网壳结构在两种网格抽空方式的单块扭网壳、三种形式的四块组合型扭网壳和一种两块组合型扭网壳中有推广应用的前景.

四面体式折展机械臂设计与分析

为解决现有部分机械臂收拢率低、末端姿态不可调节等问题,基于四面体单元提出一种折展机械臂机构。首先,阐述了一种单自由度四面体单元机构,该机构具有高刚度和较好的折展性,基于螺旋理论分析了四面体单元的自由度;其次,将多个四面体单元通过特定组合构造一种多自由度折展机械臂机构,以2个四面体单元组成的机构为例,基于几何方法求解各节点的位置、姿态和速度,并得出多个单元组合机构的运动规律;通过ADAMS仿真分析对运动理论分析结果进行验证,应用Workbench有限元仿真软件进行静力学和模态分析;最后,进行了折展实验。研究表明,基于四面体单元的折展机械臂具有多自由度、姿态可调及大收拢率的特点。

LiH-LiF-P_2O_5系统离子导电玻璃的结构研究

在N_2气氛保护下,制备出LiH-LiF-P_2O_5系统离子导电玻璃,并得出玻璃形成区。利用红外光谱、Raman光谱和X射线衍射径向分布函数法等现代测试方法分析了该系统玻璃的结构和配位态,指出P^(5+)离子的配位数为4,Li^+离子的配位数为4,确定[PO_4],[PO_3F]和[LiF_4]等四面体为网络基本结构单元,同时给出了本系统玻璃的无规网络结构模型。

硅酸盐晶体中四面体微结构单元的点群分析

通过群论的方法对硅酸盐晶体中 5种Si—O四面体单元的对称性进行了分析 ,得到 5种四面体单元振动的不可约表示 ,然后在此基础上 ,通过特征标投影算符法推导计算了由内坐标到对称坐标的转换矩阵 ,以用于四面体单元振动光谱的计算以及拉曼和红外光谱中谱带的指代和性质分析。

六杆四面体双曲面冷却塔网壳的构形、静力与稳定性能

提出由投影面为四边形的六杆四面体所集合组成的双曲面网壳,可以用作大型钢结构冷却塔的主体结构.探讨该网壳形式的构形,它构造简单,兼具单层网壳与双层网壳的特性.总结了正交正放与正交斜放2种基本布置形式,对正交正放的双曲面冷却塔网壳进行静力、线性与非线性稳定分析.结果显示,该网壳内力分布合理,上、下弦杆及顶部环杆在受力上起到不同的作用,分工明确;线性与非线性稳定性能良好,且结构对于缺陷不敏感;网壳具有较好的经济指标,容易实现工业化生产与装配化施工.

四面体可展单元机构组网分析

面向航空航天领域,将3RR-3RRR四面体基本可展单元机构作为曲面可展开天线的支撑机构,对四面体单元机构的组网方法进行研究。根据三角形等效逼近任意曲面的组网原理,提出连续式组网形式和间隔式组网形式,并进行对比分析。采用间隔式组网形式进行曲面可展机构的设计,分析间隔式最小组合单元组网机构的运动过程。建立了最小组合单元机构的ADAMS仿真模型,并进行仿真验证分析。仿真结果验证了基于四面体可展单元的间隔式组网方法的正确性,根据该组网方法可以拓展形成任意尺寸的大型曲面可展天线支撑机构。

一种半刚性连接的四面体单元球形端板式节点及力学性能分析

六杆四面体单元组成的各种空间网壳是一类结构构造简单,受力性能优越的空间结构形式,其节点可根据整体结构力学性能的不同要求采用多种不同的连接方式。目前,针对六杆四面体单元所组成的各种形体的网壳及不同的节点连接方式已展开了较为系统的理论分析和模型试验研究,但对节点的构造做法研究还相对较少。在六杆四面体单元组成的球面网壳基础上提出了一种可装配的半刚性连接球形端板式节点,采用通用有限元分析软件Abaqus建立了精细化有限元节点模型并进行了数值模拟分析,分析结果表明:该节点可应用于满足装配要求的弦杆刚接、腹杆铰接的由六杆四面体单元组成的球型网壳,且节点受力性能优越,可满足实际工程的需要。

一种四面体单元球形端板式节点的受力性能分析

六杆四面体单元组成的网壳是一种结构构型简单、受力性能优越、兼具单层网壳和双层网壳受力特点的结构形式.这种网壳具有便于工业化加工制作和装配化施工的显著优点.目前,针对六杆四面体单元所组成的各种形体的网壳已展开了较为系统的结构体系研究,但对节点的研究还相对较少.针对六杆四面体单元组成的球面网壳结构提出了一种满足装配化要求的刚性连接的球形端板式节点,并采用通用有限元分析软件进行了考虑接触效应的非线性有限元分析.结果表明:在轴拉和压弯荷载作用下,该节点受力性能良好,可满足实际工程设计的需要.

基于四面体单元的新型可展机构自由度分析

基于3RR-3URU四面体单元构造对称和非对称两种可展组合单元机构,提出3UU-3URU四面体单元机构,并基于此单元构造可展组合单元机构,对这三种可展机构进行自由度分析。首先,基于拆杆等效法分析3RR-3URU四面体单元的自由度数目及性质,进一步将基本单元组合成对称组合单元和非对称组合单元两种形式,定义这两种组合单元的结构及需要满足的几何约束条件,并应用螺旋理论和G-K公式分析两种组合单元的自由度。其次,针对基于3RR-3URU构成的组合单元无法组网成大型可展天线机构的问题,提出3UU-3URU四面体单元及其组合单元机构,根据G-K公式得到其自由度数。最后,应用ADAMS仿真软件建立三种组合单元机构的仿真模型,对三种组合单元进行运动仿真,仿真结果验证其自由度分析的正确性。研究结果为四面体可展天线机构的设计与分析提供重要理论依据。

一类基于四面体组合单元的模块化构架式可展开天线机构

针对现有基于四面体单元的构架式天线机构结构复杂、收拢率低、运动副数量多等问题,基于3RR-3RRR四面体组合单元和基于3RR-3URU四面体对称组合单元分别提出了两种新型模块化可展结构。以3个组合单元组成的模块化结构为分析对象,首先,详细介绍了模块化结构的组成及虎克铰轴线布置,并利用组合单元本身的自由度数目及性质,采用拆杆-等效-复原的思想,应用螺旋理论和G-K公式分别对提出的两种模块化结构进行了自由度分析,得到了自由度数目及性质。其次,应用Adams动力学仿真软件对两种模块化结构进行运动仿真,仿真结果验证了自由度分析的正确性。以完全展开和完全收拢时机构所占的空间体积比值表征该机构的收拢率,计算现有基于四面体单元的非模块化机构与提出的模块化机构的收拢率。最后,对比分析非模块化机构与模块化机构的自由度数目、运动副数目及收拢率。分析结果表明,基于3RR-3URU四面体对称组合单元的模块化结构既能实现较大收拢率,自由度及运动副数目也相对减少,且组成大型天线时杆件类型较少。研究结果为该类模块化构架式可展天线结构的设计与分析提供一定理论依据。

六杆四面体单元组成的球面网壳结构静力特性模型试验研究

对六杆四面体单元组成的球面网壳结构的静力特性进行了模型试验研究.设计、制作了一个10m跨度的大型实物模型,测试了其在全跨加载和半跨加载两种工况下的静力特性,并与利用实际模型节点坐标建立的有限元模型计算结果进行对比,分析了误差产生的原因以及误差来源对模型静力特性产生影响的机理.测试和分析结果表明,模型的加工和安装精度对结构静力特性具有显著的影响,必须在实际工程中予以严格控制.

六杆四面体单元组成的新型球面网壳机动分析

对平面投影为四边形的六杆四面体单元组成的新型球面网壳全铰接基本结构体系进行了系统的机动分析.若采用传统的Maxwell准则分析,该网壳的基本结构体系被认为是一个静定结构.而基于平衡矩阵理论进行分析时,可以发现该网壳的基本结构体系是一个静不定、动不定体系.利用平衡矩阵的物理意义和矩阵的初等变换,证明了新型网壳基本结构体系的机构位移模态数与沿圆形平面径向布置的六杆四面体单元数是相等的.在此基础上给出了新型网壳加强结构体系的形成依据,并提出两种适于工程应用的结构体系加强方式.

六杆四面体单元组成的新型球面网壳的稳定性能分析

对平面投影为四边形的六杆四面体单元组成的新型球面网壳进行了稳定性能分析,包括特征值屈曲分析和考虑初始缺陷的双重非线性分析.分析工作主要由两个方面展开,一是对球面网壳的基本结构体系和两种加强结构体系的四种采用不同刚、铰接节点布置方式的计算模型进行稳定性能对比,二是对采用同一种刚、铰接节点布置方式的不同结构体系的稳定性能进行比较.由此得到了刚、铰接节点布置方式对网壳结构稳定性的影响,以及加强杆件对不同计算模型稳定性能提高效果的差异.根据对比分析的结果,结合实际工程经济、技术指标的要求,提出了这类新型球面网壳宜优先选用的结构和节点体系.

六杆四面体单元组成的球面网壳结构装配化施工的实践研究

六杆四面体单元组成的球面网壳是一种适应建筑工业化需求的新型空间结构体系.基于一个10m跨度的大型实物模型,对这种新型网壳结构进行了装配化施工的实践研究.模型的六杆四面体单元全部预先加工完成,再按照拟定的施工方案,以其为基本单位进行安装,并对安装过程中出现的问题进行了总结和分析.模型安装完成后,利用全站仪测得所有节点坐标,并利用测得坐标重建有限元模型,通过与设计模型的静力计算结果进行比较,从理论角度分析了安装误差对结构静力特性的影响.本文工作能为这种新型球面网壳的工程实践提供一定的指导.

六杆四面体单元组成球面网壳的节点构造及装配化施工全过程分析

平面投影为四边形的六杆四面体单元是一种几何不变体系,由此集合组成的球面网壳构造简单,杆件数和节点数相对较少,且能起到双层网壳的作用.本文着重研究了半刚接半铰接球面网壳的节点构造,上、下弦采用梁单元,选用带法兰盘的焊接空心球连接;腹杆采用杆单元,选用耳板连接.为便于在工厂工业化加工制作六杆四面体单元,以及在现场高空悬臂安装网壳结构,提出了一种能重复使用的工具式A型拼装架及安装工序.与此同时,详细给出了在网壳自重作用下,与安装工序对应的装配化施工全过程内力分析,文中并附有算例说明.

六杆四面体单元组成的新型球面网壳及其静力性能

提出了一种新型球面网壳,它由投影为四边形平面的六杆四面体单元集合组成,网壳的成形构造简单,便于工业化预制生产和装配化施工.这种杆件数和节点数相对较少、网格抽空的球面网壳,也能发挥双层网壳的作用.文中给出并讨论了新型球面网壳的基本结构体系和加强结构体系.为提高结构的刚度和稳定性,网壳的上、下弦节点可采用刚接节点、半刚接半铰接节点和铰接节点,可形成四种节点布置方式和杆件特性,即四种不同计算模型的球面网壳.本文作了竖向荷载作用下的受力特性分析,获得了基本与加强结构体系、四种节点布置方式的网壳内力、位移的基本规律和相互差异,为工程设计和结构选型提供了依据.

六杆四面体单元端板式节点受力性能研究

提出了一种可满足六杆四面体单元装配化施工要求的节点形式——端板式节点.即六杆四面体单元的弦杆与腹杆相贯焊接于端板,通过端板上的高强螺栓实现单元之间的连接.设计并制作了2个足尺节点模型,分别考察其在压弯和轴拉荷载作用下的受力性能,得到了端板节点的位移、应变发展特点及破坏形态.采用ABAQUS软件进行考虑接触非线性的有限元分析,得到了杆件、端板及高强螺栓的应力和变形.试验和有限元分析结果表明:在压弯荷载作用下,端板节点发生杆件屈曲和近节点域处鼓曲变形破坏,且杆件屈曲破坏先于节点域鼓曲破坏;节点域高应力区主要集中在三杆相贯焊接形成“谷底”处;高强螺栓在整个加载过程中最大应力约为其屈服应力的10%.轴拉荷载作用下,节点发生端板拉屈破坏;位于缺口两侧的高强螺栓发生拉弯变形,建议适当增设加劲肋和增加端板厚度,以提高端板刚度.通过数值计算得到的端板节点宏观变形、荷载-位移曲线及部分荷载-应变曲线均能与试验结果较好吻合,反映了数值分析模型的有效性与准确性.

基于应变能最小准则的六杆四面体球面网壳结构的截面尺寸优化研究

随着计算机技术的发展,基于拓扑优化技术的轻量化设计在结构设计领域广泛运用.从目前的空间结构领域来看,针对具体项目的连续体结构的拓扑优化主要还是靠工程师的工作经验来进行,而采用系统性的优化策略来进行结构优化还并不成熟,尚待深入研究.六杆四面体球面网壳是一种包含装配式建筑思想的新型空间壳体,近年来进行了广泛深入的研究.本文基于应变能最小准则针对这种新型网壳结构的力学性能进行了截面尺寸优化,对优化前后网壳各个方向的位移及各杆件截面尺寸的变化进行分析研究.优化结果表明,在减重百分之二十的条件下,结构刚度有了较大提高,竖向位移得到了有效控制,自动化的拓扑优化技术在新型空间结构体系上得到了较好的实现.

基于频率最大化目标的六杆四面体网壳截面尺寸优化研究

随着计算机技术的发展,基于有限元优化的拓扑优化算法在工程设计领域得到广泛应用,以提高结构性能和节约材料.在空间结构领域,目前还并未形成系统性的结构优化策略,主要还是依靠工程师的工作经验来进行优化设计.董石麟教授等提出的六杆四面体网壳是一种由相似的四面体模块组成的空间结构,具有重复性和装配性等特点.本文以六杆四面体网壳为分析对象,进行了结构频率最大化的优化设计.根据挑选出的质量参与系数总和超过90%的7阶模态,建立优化函数最大化这7阶模态的频率,以此提高整个结构的动力学性能.优化结果表明,在结构整体减重18.31%的前提下,各阶频率增加了20%到30%,起到了良好的效果.

六杆四面体柱面网壳的截面尺寸优化研究

对于重复性模块组成的空间结构,参数化的几何堆叠仅解决其构形,传统力学分析也无法解决其力学性能优化问题,主要还是依靠工程师的工作经验来进行优化设计。董石麟教授提出的六杆四面体柱面网壳是一种由相似的四面体模块组成的空间结构,具有线性重复性特点。针对六杆四面体柱面网壳进行截面尺寸优化研究,以关键阶频率最大化为主要策略,结合折衷规划法和质量参与系数确立目标函数,实现1、9、13、54、56、80这六阶频率最大化。优化结果表明:在结构整体减重9. 92%的前提下,结构刚度提高了约12. 25%,各阶频率都有显著增加,起到了良好的优化效果。并验证了线性重复性空间结构截面尺寸优化的可行性。