自鎖式四棱柱折疊結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)的ansys分析

折疊結(jié)構(gòu)是當(dāng)用時(shí)展開(kāi)時(shí)形成的結(jié)構(gòu)。通常，剪切割斷單元是基本組成的。由于切割或斷裂帶的節(jié)點(diǎn)具有彎曲特性，所以重疊結(jié)構(gòu)根據(jù)折疊過(guò)程中的幾何相似性可分為自鎖式和外鎖式。自鎖折疊結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)的越躍特征，需要外部限制來(lái)使其成為結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，即使骨折結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用，折疊后的體積小，便于運(yùn)輸和存儲(chǔ)。本文從折疊結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)入手,明確了自鎖式平板折疊單體的四個(gè)基本幾何參數(shù).分析了折疊單體的自鎖原理及其折疊過(guò)程的荷載位移曲線.由于折疊單體即可較好地體現(xiàn)組合網(wǎng)架的力學(xué)性能,通過(guò)ANSYS軟件對(duì)四棱柱單體的分析并考慮穩(wěn)定性和彈性設(shè)計(jì)的要求,對(duì)單體幾何參數(shù)和桿件截面尺寸給出了推薦的取值范圍.1平板折疊網(wǎng)架幾何設(shè)計(jì)1.1剪鉸單元間的連接構(gòu)成折疊結(jié)構(gòu)的基本單元為剪鉸單元,如圖1所示,由兩根剛性桿AE和BD在其中部C通過(guò)銷栓連接構(gòu)成.剪鉸單元間的連接是通過(guò)單元端部節(jié)點(diǎn)鉸接實(shí)現(xiàn),如圖2所示.剪鉸單元連接要滿足完全折疊的基本幾何關(guān)系為DC+CE=DF+EF,這也是所有折疊結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).1.2平板疊前機(jī)構(gòu)造設(shè)計(jì)構(gòu)成平板折疊單體的四個(gè)基本幾何參數(shù):半桿長(zhǎng)度a,外部剪鉸單元與水平面夾角α,內(nèi)部剪鉸單元與水平面夾角β,多邊形單體圓心角γ.如圖3所示,角度規(guī)定逆時(shí)針為正,順時(shí)針為負(fù).1)多邊形單體圓心角γ.網(wǎng)架由單體組合而成,因而常用的單體網(wǎng)格為正多邊形.常用取值見(jiàn)表1.各個(gè)角度對(duì)應(yīng)的單體為三棱柱、四棱柱、五棱柱和六棱柱.這也是組合網(wǎng)格整體常用的幾種單體形式.而對(duì)于平板折疊網(wǎng)架而言,通常采用三棱柱和四棱柱單體.六棱柱單體組合同三棱柱單體組合相似,而五棱柱單體組合通常用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu).2)內(nèi)部剪鉸單元與水平面夾角β.內(nèi)部剪鉸單元是實(shí)現(xiàn)折疊網(wǎng)架自鎖的關(guān)鍵,其與水平面夾角β控制著結(jié)構(gòu)自鎖的性能.3)外部剪鉸單元與水平面夾角α.同樣與建筑要求相關(guān),2asinα對(duì)應(yīng)著折疊網(wǎng)架的高度,因而應(yīng)當(dāng)實(shí)際情況并考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力特點(diǎn)確定.4)半桿長(zhǎng)度a.一般應(yīng)當(dāng)依據(jù)建筑要求確定,同時(shí)也應(yīng)當(dāng)考慮建筑材料長(zhǎng)度的限制.在基本幾何參數(shù)確定的情況下,通過(guò)三角學(xué)和解析幾何學(xué)的理論可以對(duì)折疊單體進(jìn)行幾何定位.據(jù)此作者編制了相應(yīng)的程序FPMD,并可以方便地通過(guò)繪圖軟件如AutoCAD或是結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS即可進(jìn)行幾何建模.圖4與圖5即為平板折疊單體及組合網(wǎng)架.2基于anasas的載荷-位移路徑的基本模型自鎖折疊網(wǎng)架的設(shè)計(jì)思想是利用結(jié)構(gòu)的越躍特點(diǎn),屬于幾何非線性問(wèn)題.和材料非線性問(wèn)題相比,幾何非線性問(wèn)題有更復(fù)雜多樣的荷載-位移平衡路徑.因而對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形全過(guò)程的非線性跟蹤分析,是全面了解該結(jié)構(gòu)的受力性能所必須進(jìn)行的一項(xiàng)復(fù)雜工作.面對(duì)幾何非線性的荷載-位移路徑的復(fù)雜性,結(jié)構(gòu)分析常用的荷載增量步長(zhǎng)方法不能適應(yīng)追蹤全路徑的任務(wù),相應(yīng)的分析可采用弧長(zhǎng)法或位移增量法.弧長(zhǎng)法精度較高但計(jì)算速度慢,位移增量法計(jì)算快且精度滿足要求.本文采用位移增量法計(jì)算折疊單體的極值荷載和荷載控制的位移越躍現(xiàn)象.由自鎖折疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想,其折疊和展開(kāi)過(guò)程是互逆的,考慮到模型荷載和位移約束施加的方便性分析其折疊過(guò)程.ANSYS分析模型如圖6所示.模型材料選用鋼材,單元采用BEAM4,選擇正方形實(shí)心截面邊長(zhǎng)0.01m.基本幾何參數(shù)取值:α=10°、β=5°、γ=90°、a=1m.單體折疊過(guò)程中中點(diǎn)的荷載位移曲線如圖7所示.曲線理想地展示了單體在折疊過(guò)程中控制荷載的變化規(guī)律和越躍現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)在完全展開(kāi)和完全閉合狀態(tài)下荷載為零,而荷載控制的極值點(diǎn)A和B是單體參數(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一.3疊前疊置結(jié)構(gòu)的彈性設(shè)計(jì)方法在實(shí)際結(jié)構(gòu)中由于摩擦等作用的存在,結(jié)構(gòu)的折展控制荷載會(huì)有較大幅度的增加,這也會(huì)進(jìn)一步影響單元內(nèi)力使其相應(yīng)的增加.因而,在設(shè)計(jì)折疊結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)時(shí),應(yīng)控制其單元應(yīng)力處于比例極限的一定范圍內(nèi).由于折疊結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)應(yīng)該在彈性范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì).3.1和的選取β:當(dāng)β在-15°～-5°內(nèi)變化時(shí),折展控制荷載趨于0,且同單元內(nèi)力一樣關(guān)于-10°對(duì)稱,如圖8所示.考慮到實(shí)體結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中的方便性,折展荷載不宜過(guò)大,應(yīng)<1000N;同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中的受荷性能折展荷載不宜<300N.這樣,在滿足上述條件并考慮單元內(nèi)力及其穩(wěn)定性,可在5°～20°內(nèi)選取合適的β值.由于對(duì)稱性,同樣可在-25°～-40°取值.α:由于α取值的大小直接決定了網(wǎng)架的高度,隨參數(shù)α變化的單體反應(yīng)如圖9所示.因建筑要求及施工的可行性α取值應(yīng)該>5°.由于折展控制荷載隨著β增加而增大,因而在β=5°時(shí),α取值宜<25°.結(jié)合折疊網(wǎng)架上部在應(yīng)用時(shí)覆膜或其他屋面做法的方便性,推薦取值在10°～20°.a:建筑材料選用鋼材,考慮建筑材料的長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)折展荷載的可控性,如圖10所示,折展控制荷載隨著a的增加而減小,因而a取值不宜>1.5m.對(duì)于一般的網(wǎng)架結(jié)構(gòu),折疊網(wǎng)架單體半桿長(zhǎng)度a宜在1～1.5m取值;當(dāng)用于臨時(shí)性帳篷等情況時(shí)可適當(dāng)取小,但不宜<0.5m.上述分析的內(nèi)容僅僅考慮了結(jié)構(gòu)在折展過(guò)程中的桿件受力及穩(wěn)定性得出的結(jié)論,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)同時(shí)保證折展過(guò)程和展開(kāi)后的正常使用過(guò)程的安全性.3.2彈性受荷范圍以四棱柱單體為例,基本幾何參數(shù)取值:α=10°、β=5°、γ=90°、a=1m.1)當(dāng)采用實(shí)心正方形截面時(shí),單體折展控制荷載及最大單元內(nèi)力變化如圖11所示.考慮構(gòu)件穩(wěn)定性及其應(yīng)力在折展過(guò)程中處于彈性受荷范圍的要求,截面邊長(zhǎng)B在0.008～0.015m內(nèi)取值都是合理的.B取值過(guò)大將導(dǎo)致材料浪費(fèi)且使得折展荷載急劇增大;取值過(guò)小則會(huì)降低結(jié)構(gòu)的自鎖性能.2)改變截面(圖12)慣性矩對(duì)結(jié)構(gòu)折展控制荷載的影響,由圖12可見(jiàn)隨著截面慣性矩的增大,結(jié)構(gòu)的折展控制荷載也隨之增大,結(jié)構(gòu)折展過(guò)程的荷載位移曲線如圖12所示.結(jié)合桿件在折展過(guò)程中外圍剪鉸單元桿件以受拉為主,內(nèi)部剪鉸單元桿件以壓彎為主,且內(nèi)部桿件應(yīng)力大外圍桿件應(yīng)力小的受力特點(diǎn),內(nèi)部剪鉸單元桿件宜采用實(shí)心截面,而外圍剪鉸單元可以采用空心方鋼管或圓鋼管.4疊置轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1)折疊結(jié)構(gòu)作為一種新型空間結(jié)構(gòu)形式,由其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可用作臨時(shí)結(jié)構(gòu)、可展開(kāi)屋蓋及外太空建筑等,具有廣泛的應(yīng)用前景.2)折展過(guò)程中的位移越躍現(xiàn)象是折疊結(jié)構(gòu)的自鎖原理.采用ANSYS中位移增量法分析折疊單體的荷載位移曲線驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)完全展開(kāi)和完全閉合狀態(tài)下的幾何相容性及折疊過(guò)程中的越躍現(xiàn)象.3)幾