特異なテンセグリティー構造を設計し理解する方法

エンジニアが好んで共有するビデオには、非直感的で魅力的な物理システムが描かれる傾向があります。最近のお気に入りは、テンセグリティー構造の珍しい性質を示すThe Action Labのフローティングテーブルです。

The Acton Labのフローティングテーブルはどのような仕組みになっているのでしょうか？

このような浮動圧縮を経験した構造体は、圧縮された部品を吊るす張力下のコードによって強度を得ます。その結果、このシステムでは、圧縮されたシステムを支える能力をコードに与えることができます。

コードのシミュレーション方法については，ウェビナーをご覧ください： Ansys Structures 2020 R1 Update

テンセグリティー構造の仕組みを知る

クレーンはそれだけでは圧縮荷重を支えることはできませんが、テンセグリティー構造を構築するための秘訣になります。

フローティングテーブルのシミュレーション

例えば、フローティングテーブルの例では、ベースとトップを構成する2つのプラスチックに、クレーンのような構造が含まれています。これらの構造は、真ん中のストリングの張力によって支えられています。ベース部とトップ部の各コーナーに加えられた3本のストリングは、安定性を高めるためのものです。

それは重さのバランスをとるためです。クレーンのような梁に取り付けられたコードは、一方向にしか重量を保持できません。理想的な世界では、システムに作用する力は重力だけであり、システムはこの中間のストリングだけでバランスが取れるようになっています。

しかし実際には、1本のストリングだけでは、振り子のように不安定なシステムになってしまいます。他のストリングは、重量配分に応じて張力を変化させることで、安定性を高めています。

オーストラリアのクイーンズランド州ブリスベンの
ブリスベン川に架かるクリルパ・ブリッジ（元々はタンクストリート・ブリッジ）。

これらの吊り構造は、橋梁の建設に実用的な応用が可能です。例えば、オーストラリアのクイーンズランド州ブリスベンにあるクリルパ・ブリッジは、人々が水路の上を横断するために使用できる最も有名なハイブリッドテンセグリティー構造の一つです。この橋は、コードを使って構造体を固定するクレーンのような一連の支柱によって吊り下げられています。

しかし、フローティングテーブルのように、この構造物がどのようにして無傷でいられるのかを理解するのは難しいかもしれません。より良いアイデアを得るために、エンジニアは、ひもや3Dプリントした部品を使って、橋やフローティングテーブルの模型を作ることができます。また、3Dプリンターがない場合は、レゴやアイスキャンデーなどを使って吊り下げ式の部品を作ってみるのもいいでしょう。

テンセグリティー構造の設計とシミュレーションの方法

これらの構造の設計とモデル化の方法を学ぶには、フローティングテーブルのような簡単な例から始めるのが良いでしょう。

フローティングテーブルのシミュレーションでは、プラスチック製の
ビームが圧縮されているものと、引っ張られているものがあることを示しています。
力の大半は真ん中のストリングにかかっています。

計算を簡単にするために、エンジニアはモデルの複雑さを軽減する方法を見つけなければなりません。今回のケースでは、ベース、クレーンのような構造、コードをそれぞれサーフェス、ビーム、ストリングとしてモデル化することができました。その結果、ソリッドモデリングの必要はありません。

先日、 Ansys Mechanical 2020 R1 にケーブルエレメントの機能が追加されました。これは、以前のリンクエレメントのアップグレードです。

これらのケーブルエレメントは、張力でのみ動作し、その端は自由に回転します。これは、張力や圧縮が可能で、溶接で固定されているビームエレメントとは異なります。

シミュレーションが実施されると、エンジニアはこれを利用して、重量をより適切に分散させ、固有振動数を考慮し、構造を安定させるために、ケーブルの配置を最適化することができます。また、ケーブルの1本が故障した場合に、吊り下げられている要素の1つが座屈したり、壊れたりすることが懸念される場合には、座屈シミュレーションを行うこともできます。

このシミュレーションの概念を橋梁の設計に拡大した場合、エンジニアは重量配分の変化、強風、地震などの条件に合わせて最適化する必要があります。このシミュレーションにより、ベース、クレーンのような構造物、ケーブルのすべてが、実際の現場で発生する力に耐えられることを確認することができます。

その結果、エンジニアは設計のアキレス腱を見つけ出し、その構造が実世界で生き残ることができると確信できるまで、最適化に集中することができます。一般的に、この最適化は、形状、断面、材料、吊り物やコードの配置などを変更することで行われます。

詳細については、ウェビナーをご覧ください： Ansys Structures 2020 R1 Update

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