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Ansys-Blog

April 28, 2020

Wie man ungewöhnliche Tensegrity-Strukturen entwirft und versteht

Die Videos, die Ingenieure gerne teilen, zeigen meist nicht-intuitive und faszinierende physikalische Systeme. Ein aktueller Favorit ist der schwebende Tisch von The Action Lab, der die ungewöhnliche Natur von Tensegrity-Strukturen demonstriert.

Wie funktioniert der schwebende Tisch von The Acton Lab?


Tensegrity oder Zugfestigkeit beschreibt ein System von isolierten, komprimierten Komponenten innerhalb eines Geflechtes, die unter ständiger Spannung stehen. In einer reinen Tensegrity-Struktur berühren sich diese Komponenten nicht, werden aber dennoch komprimiert.

Es ist schwer vorstellbar, dass Seile Druckbelastungen aushalten können. Wir können uns vorstellen, dass sie eine Last mithilfe ihrer Zugkraft aufhängen - wie ein klassischer Kran. Aber Seile sind nicht in der Lage, von sich aus Druckkräfte zu tragen. Mit dem richtigen Aufbau und der richtigen Balance können sie jedoch ein System von Komponenten aufhängen, die unter Druck stehen.

Das Hubseil eines Kran ist ein klassisches System
unter Spannung. Er ist nicht in der Lage,
Drucklasten allein zu tragen, aber das
ändert sich mit dem richtigen Tensegrity-Aufbau

Eine Struktur, die diese Form der schwimmenden Kompression erfährt, gewinnt an Stärke durch die unter Spannung stehenden Seile, die die komprimierten Komponenten aufhängen. Dadurch verleihen diese Systeme den Seilen die Fähigkeit, ein System unter Druck zu stützen.

Um zu erfahren, wie man Seile und Zugfestigkeit simuliert, sehen Sie sich das Webinar an: Ansys Structures 2020 R1 Update.

Erfahren Sie, wie Tensegrity-Strukturen funktionieren

Auch wenn ein Kran allein keine Drucklasten tragen kann, kann er doch das Geheimnis für den Bau einer Tensegrity-Struktur sein.

Eine Simulation des Floating Table

Im Beispiel des schwebenden Tisches enthalten die beiden Kunststoffteile, aus denen der Sockel und die Platte bestehen, eine kranartige Struktur. Diese Strukturen werden durch die Spannung der mittleren Schnur zusammengehalten. Die drei Schnüre, die an jeder Ecke des Unter- und Oberteils angebracht sind, dienen der Stabilität.

Es geht darum, das Gewicht auszugleichen. Die an den kranartigen Trägern befestigte Schnüre kann das Gewicht nur in einer Richtung halten. In einer perfekten Welt wäre die einzige Kraft, die auf das System einwirkt, die Schwerkraft, und das System wäre so ausbalanciert, dass nur diese mittlere Schnur benötigt würde.

In Wirklichkeit würde aber nur eine Schnur ein instabiles System erzeugen - wie ein Pendel. Die anderen Schnüre tragen zur Stabilität bei, indem sie ihre Spannung in Abhängigkeit von der Gewichtsverteilung verändern.

Die Kurilpa-Brücke (ursprünglich die Tank Street Bridge) über den
Brisbane River, Queensland, Australien

Diese Hängestrukturen haben praktische Anwendungen im Brückenbau. Die Kurilpa-Brücke in Brisbane, Queensland, Australien, ist beispielsweise eine der bekanntesten hybriden Tensegrity-Strukturen, mit der man eine Wasserstraße überqueren kann. Sie wird von einer Reihe von kranähnlichen Pfeilern getragen, die mit Hilfe von Seilen die Struktur in Position halten.

Wie bei dem schwimmenden Tisch könnte es jedoch schwierig sein, zu verstehen, wie diese Struktur intakt bleibt. Um eine bessere Vorstellung zu bekommen, können Ingenieure ein Modell der Brücke oder des schwebenden Tisches mit Schnüren und 3D-gedruckten Teilen bauen. Wer keinen Zugang zu einem 3D-Drucker hat, kann versuchen, die schwebenden Teile aus Lego oder hölzernen Eisstielen zu bauen.

Entwurf und Simulation von Tensegrity-Strukturen

Um zu lernen, wie man diese Strukturen entwirft und modelliert, ist es gut, mit einem einfachen Beispiel zu beginnen - wie dem Schwebetisch.

Die Simulation des schwebenden Tisches zeigt, dass einige plastische
Balken unter Druck und andere unter Zug stehen.
Der Großteil der Kraft wirkt auf die mittlere Saite.

Um die Berechnungen zu vereinfachen, müssen die Ingenieure Wege finden, um die Komplexität des Modells zu reduzieren. In diesem Fall können die Basis, die kranähnlichen Strukturen und die Seile als Flächen, Balken bzw. Stäbe modelliert werden. Daher ist eine Volumenmodellierung nicht erforderlich.

Die Funktionalität von Kabelelementen wurde kürzlich in Ansys Mechanical 2020 R1 hinzugefügt. Dabei handelt es sich um ein Upgrade der früheren Verbindungselemente.

Diese Seilelemente arbeiten nur mit Zug und ihre Enden sind frei drehbar. Dies unterscheidet sich von einem Balkenelement, das auf Zug und Druck belastet werden kann und verschweißt ist.

Sobald die Simulation erstellt ist, können die Ingenieure damit die Platzierung der Kabel optimieren, um das Gewicht besser zu verteilen, die Eigenfrequenzen zu berücksichtigen und die Struktur zu stabilisieren. Sie können auch eine Knicksimulation durchführen, wenn sie befürchten, dass eines der aufgehängten Elemente knicken oder brechen könnte, wenn eines der Seile ausfällt.

Würde dieses Simulationskonzept auf einen Brückenentwurf ausgeweitet, müssten die Ingenieure ihn auch für variable Gewichtsverteilungen, starke Winde, Erdbeben und andere Bedingungen optimieren. Mit diesen Simulationen kann sichergestellt werden, dass die Basis, die kranähnlichen Strukturen und die Kabel den Kräften standhalten, denen sie im Einsatz ausgesetzt wären.

Auf diese Weise können die Ingenieure die Achillesferse ihres Entwurfs finden und ihre Optimierungen so lange konzentrieren, bis sie sicher sind, dass die Struktur in der realen Welt überleben wird. In der Regel besteht diese Optimierung in der Änderung der Geometrie, des Querschnitts, der Materialien und der Anordnung der aufgehängten Objekte und Sehnen.

Um mehr zu erfahren, sehen Sie sich das Webinar an: Ansys Structures 2020 R1 Update.

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