索支撐徑向開合屋蓋結構體系及其運動過程研究

《索支撐徑向開合屋蓋結構體系及其運動過程研究》是依託東南大學，由蔡建國擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：索支撐徑向開合屋蓋結構體系及其運動過程研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蔡建國
• 依託單位：東南大學

中文摘要

為了實現大跨度空間結構的多功能性，本項目基於體系約束條件Jacobian矩陣的符號運算分析開合屋蓋的自由度，提出一種索支撐徑向開合屋蓋結構。利用向量式有限元，在研究多折角梁、拉索及剪鉸節點內力計算方法的基礎上，建立一種同時考慮剛體位移和彈性變形的開合屋蓋結構運動過程分析方法，並提出一種剪式鉸中銷軸和孔體間相互接觸和碰撞的判斷方法及其回響計算方法，從而研究剪式鉸間隙對整個徑向開合屋蓋運動過程的影響。建立考慮摩擦的滑移索單元嵌入到有限元程式中；提出一種空間格線結構的對稱性搜尋和判斷方法；套用群論將剛度矩陣約化為一系列不可約矩陣的組合，將結構計算時結構整體剛度矩陣的求逆過程轉化為多個不可約矩陣的求逆，提高計算效率。對各種荷載作用下徑向開合屋蓋結構的受力性能進行詳細的分析；在模型試驗的基礎上，提出相應的設計、施工建議。本項目的完成將對我國多功能建築、新型空間結構體系的發展起到重要作用。

結題摘要

開合屋蓋結構是一類可以自由地大尺度改變幾何構形的結構，它們可以從閉合狀態變換到開啟狀態。為了實現大跨度空間結構的多功能性，本項目針對開合屋蓋結構的共性問題及關鍵技術，採用理論分析、數值模擬、物理模型實驗相結合的研究手段，對多種新型開合屋蓋結構的幾何構成、運動過程以及受力性能進行了深入的研究。結合螺旋互易定理，利用兩個連桿公共節點處約束螺旋相等，證明了Hoberman連桿機構、交叉以及非交叉成角度剪式單元的可動性。隨後，利用剪式單元組成連桿機構體系，其自由度為體系約束方程Jacobian矩陣的零向量空間數量。在對由Hoberman剪式單元組成的多種徑向可開啟屋蓋結構進行運動特性分析的基礎上，深入研究了體系閉合後的受力性能以及開啟閉合過程中的受力性能。 提出了基於體系約束方程的可動性判別方法；通過約束方程的一階分析確定體系為無窮小機構或者結構，從而完整地區分了有限機構、無窮小結構、結構。對有限機構進行研究，通過約束方程的求解，分析了有限機構的運動分岔現象。 利用四元數表示空間定點旋轉的理論對圓管狀摺疊結構能否剛性展開和摺疊進行判定並對非剛性可動圓管的展開和摺疊過程中產生的應力應變進行分析。以球面四連桿機構為基本單元，提出了一種環向運動的開啟屋蓋體系。利用兩種改進的Miura摺紙模型——變角度Miura摺紙模型和變長度Miura摺紙模型，製作成在運動過程中具有一定曲率的摺疊體系，並結合球面三角學理論對四摺痕摺紙單元進行研究。以動力學普遍方程和第一類拉格朗日方程為理論基礎，採用有限元分析方法，以節點坐標作為廣義坐標，研究摺疊板殼結構展開過程的動力特性。提出了圓柱形充氣索膜結構的構形，並重點對其找形過程、展開過程以及荷載態進行研究。在總結國內外薄膜反射面結構研究現狀的基礎上，進行了對薄膜結構展開過程的數值模擬和空間剪式鉸結構展開過程的數值模擬，並重點對其展開過程的評價指標進行研究。 本項目的完成將對我國多功能建築、新型空間結構體系的發展起到重要作用。