[发明专利]索网结构在非线性有限元分析中初始张力状态的构造方法

说明书

本发明公开了一种索网结构在非线性有限元分析中初始张力状态的构造方法，包括如下步骤：S1，选择索网与支撑结构的参数，在有限元仿真软件中模型创建；S2，根据给定的预张力建立索单元的初应力刚度矩阵，将此初应力刚度矩阵以三个单向弹簧等效，并参照格式要求迭加到索网结构的有限元模型中；S3，利用线性方法计算温度对张力的影响矩阵；S4，计算在给定的预张力下，以降温法模拟索网轴向张力时索网的单元温度，并将温度值作为已知单元温度条件完成预张力构造。

技术领域

本发明涉及索网结构有限元计算仿真时预应力构造及其应用技术领域，特别涉及一种索网结构在非线性有限元分析中初始张力状态的构造方法。

背景技术

索网结构是张力结构体系的一个重要组成部分，其具有质量轻、强度高、收缩比大、成形多样等显著优点，可被应用于太空可展开天线等领域。初始张力是索网结构成型的必要条件和提高其曲面稳定性的重要参数。在结构负荷工作阶段，无论其静力行为还是动力行为均体现出较高的非线性特性，然而由于航天发展所需天线趋于大型化，结构全尺寸地面试验难以开展，所以在设计阶段有限元数值分析显示出了巨大优势。

有限元分析时，预张力的构造方法有等效荷载法、降温法、初始应变法等。而对于复杂的索网结构，等效载荷法并不适用；初应变法与降温法本质相同，都是通过改变索网的单元原长度来构造预张力。根据是否进行迭代，确定降温量(或初应变)的方法可分为迭代修正法和直接法两种。迭代修正法先取一个降温量(或初应变)计算索单元的预张力，根据结果与设计值的差异修正降温量(或初应变)，然后再重新计算、直至迭代收敛。在现阶段，这是一种常用的计算方法，但需要迭代计算，会导致效率降低。直接法不需要迭代、效率高，但应用于复杂的非线性结构时精度并不高。

因此需要一种能在利用有限元数值方法分析时，能综合考虑索网的几何非线性、刚度矩阵奇异性、框架的变形、预张力施加精度和计算效率等因素的初始张力状态的构造方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种索网结构在非线性有限元分析中初始张力状态的构造方法，综合了迭代修正法和直接法的优势，计算过程简便，可操作性强，能保证计算精度，提高了效率，对应用于卫星可展开天线在内的复杂、多层、具有弹性约束的索网结构，没有构型限制，且可进一步开展非线性固有频率和响应的计算。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种索网结构在非线性有限元分析中初始张力状态的构造方法，其特点是，包括如下步骤：

S1，选择索网与支撑结构的参数，在有限元仿真软件中创建模型；

S2，根据给定的预张力建立索单元的初应力刚度矩阵，将此初应力刚度矩阵以三个单向弹簧等效，并参照格式要求迭加到索网结构的有限元模型中；

S3，利用线性方法计算温度对张力的影响矩阵；

S4，计算在给定的预张力下，以降温法模拟索网轴向张力时索网的单元温度，并将温度值作为已知单元温度条件完成预张力构造。

所述的步骤S2包括：

根据给定的预张力N建立每一个索单元的初应力刚度矩阵，将以三个单向弹簧等效，并参照格式要求迭加到索网结构的有限元模型中。

所述的步骤S3包括：

假设索单元的序号是1～n_c，在索单元j上施加单位负温度，计算出每一个索单元i＝1,…,n_c的张力，取其相反数记为c_ij(i＝1,…,n_c)，当编号j从1到n_c遍历全部索单元后，就得到了以c_ij为元素、温度对张力的影响矩阵C。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：