[发明专利]一种基于多体系统滑移绳索单元的聚合式张拉整体结构动力响应分析方法

说明书

本发明公开了一种基于多体系统滑移绳索单元的聚合式张拉整体结构动力响应分析方法，具有如下步骤：S1、将传统张拉整体结构系统转换为多体系统；S2、在多体系统的传统绳索单元基础上，建立多体系统滑移绳索单元；S3、利用S2中的滑移绳索单元，建立聚合式张拉整体结构的多体动力系统等价模型；S4、求解多体动力学微分代数方程组，以获得聚合式张拉整体结构的动力响应。本发明提供了一套聚合式张拉整体结构静力学与动力学分析的新策略。与现有的非线性有限元方法相比，采用所提出的多体动力学建模分析，建模过程简便通用、易于操作，且更加符合张拉整体结构系统的客观物理运动性质。

技术领域

本发明涉及张拉整体结构动力学分析技术领域，特别是涉及到一种基于多体系统滑移绳索单元的聚合式张拉整体结构动力响应分析方法。

背景技术

近年来，主动结构的理论研究与应用，已成为土木、机械、航天等实际工程领域的前沿热点问题。主动结构在工作过程中因其活动单元的优势，可以成为能够与环境共融的动态对象。其中，张拉整体结构是典型的主动结构之一，它是一种处于自应力状态下的空间网格结构，其通过自身内部拉、压构件相互作用来维持稳定的工作状态。由于张拉整体结构系统具有质量轻、强度高、自平衡、自适应、易于控制等特点，对这类结构系统的深入研究，将具有十分广泛的工程实际应用价值。

早在上世纪60年代，美国学者Fuller就提出“张拉整体(Tensegrity)”这一概念，但与此同时并没有发展出有效的设计理论和方法。直到80年代初，这种结构才受到工程界的注意，此后的几十年以来，对张拉整体结构的找形、找态和动力学研究得到巨大发展。但上述研究，几乎都着眼于传统的张拉整体结构，即结构中的绳索单元都是相互独立分段存在的。为了便于使张拉整体结构单个构件的运动变化，带动其他多个构件同时发生运动，提高这类结构的可控性，在2009年，Moored和Bart-Smith首先提出了聚合式张拉整体结构系统，并通过能量法研究了该结构的预应力和稳定性。2011年，Bel Hadj Ali等采用修正动力松弛法研究了这类结构的静态和准静力展开运动的力学性能。后来Veuve等通过控制连续绳索单元，采用试验的手段研究了某张拉整体人行桥的动力特性。在2016年，Zhang等提供了一种非线性有限元方法求解这类聚合式张拉整体结构系统的准静力力学问题，并进一步将其发展为求解这类结构的弹塑性分析。事实上，聚合式张拉整体结构的特点是通过滑轮，将传统张拉整体结构的分段绳索单元聚集为连续的滑移绳索单元，从而通过控制少量的连续可滑移绳索单元来控制结构的形态。上述学者的研究表明，聚合式张拉整体结构在力学特性上与传统张拉整体结构有所区别，但诸类研究都致力于对这类结构系统在静态或准静力下的力学性能以及展开过程分析。然而，为了更加客观地描述结构展开运动行为，并加快结构形态变换所需时间，那么提供一套系统的聚合式张拉整体结构的动力学分析方法将十分必要。

聚合式张拉整体结构系统的核心构件是滑移绳索单元。该单元已成功应用于张弦穹顶结构、空投系统和塔式起重机等实际工程问题，但这类应用目前都采取有限元方法描述。对于有限元法建立该张拉整体系统模型，通常采用杆单元来描述系统的受压构件和受拉绳索，当压杆为刚体时，则通过令该单元刚度取大值来等效。然而，有限元法分析这类问题，将可能面临数值求解的困难，例如出现病态刚度矩阵等问题。另外，当受压构件不是细长体时，采用杆单元将很难甚至无法描述其空间6自由度的运动。相比于有限元方法，当采用多体动力学方法研究聚合式张拉整体结构时，不仅能够有效地克服上述问题，还可以回避准静力假设，从而直接进行这类结构展开的动力响应分析。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于多体系统滑移绳索单元的聚合式张拉整体结构动力响应分析方法。相比于有限元方法，本发明采用多体动力学方法研究聚合式张拉整体结构，不仅能够有效地克服上述问题，还可以回避准静力假设，从而直接进行这类结构展开的动力响应分析。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于多体系统滑移绳索单元的聚合式张拉整体结构动力响应分析方法，具有如下步骤：