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Ansys 블로그

April 28, 2020

특이한 Tensegrity구조물의 설계 및 이해방법

엔지니어들이 서로 공유하기를 좋아하는 비디오는 직관적이지 않고 매력적인 물리적 시스템을 묘사하는 경향이 있습니다. 최근 즐겨찾기는 텐세그리티 구조의 비정상적인 특성을 설명하는 조치 랩의 부동 테이블입니다.

Acton Lab의 플로트 테이블은 어떻게 작동합니까?


텐세그리티 (Tensegrity), 또는 인장 완전성 (tensile integrity) 은 연속적인 장력 하에 있는 화음 (chord) 들의 네트워크 내에서 분리된 압축된 구성요소들의 시스템을 기술합니다. 순수한 텐세그리티 구조에서는 이러한 구성요소가 접촉하지 않지만 그럼에도 불구하고 압축을 경험합니다.

압축 하중을 지탱하기 위해 끈이 만들어질 수 있다는 것은 믿기 어렵습니다. 전형적인 크레인과 같이 인장강도를 이용해 하중을 매달고 있는 것을 상상할 수 있습니다. 하지만 화음은 스스로 압축을 지원할 수 없습니다. 그러나 올바른 설정 및 밸런싱을 사용하면 압축 중인 구성 요소 시스템을 일시 중단할 수 있습니다.

기중기의 화음은 긴장상태에 있는 고전적인 시스템입니다.
자체적으로 압축 로드를 지원할 수 없지만 올바른 장력 설정에 따라 달라집니다.

이러한 형태의 부동 압축이 발생하는 구조는 압축된 구성 요소를 매달아 두는 장력 하의 화음으로부터 힘을 얻습니다. 결과적으로, 이러한 시스템은 압축된 시스템을 코드에게 지원할 수 있는 능력을 부여합니다.

코드를 시뮬레이션하는 방법을 학습하려면 웨비나를 보십시오. Ansys Structures 2020 R1 Update.
 

테세그리티 구조 작업 방법 알아보기

크레인은 압축하중을 자체적으로 지원할 수 없지만 테세그로 (tensegrity) 구조물을 만드는 비결은 될 수 있습니다.

플로팅 테이블의 시뮬레이션

예를 들어, 플로팅 테이블에서, 베이스와 상부를 구성하는 두 개의 플라스틱 조각은 크레인과 같은 구조를 포함합니다. 이 구조물들은 중간 줄의 장력을 통해 함께 고정된니다. 밑부분과 윗부분의 각 모서리에 세 개의 끈이 더해져 안정성을 더합니다.

그것은 모두 무게 균형에 관한 것입니다. 크레인과 같은 빔에 부착된 코드는 한 방향으로만 무게를 지탱할 수 있습니다. 완벽한 세상에서, 시스템에 작용하는 유일한 힘은 중력일 것이고, 이 가운데 끈이 필요한 모든 것이 될 수 있도록 시스템은 균형을 이룰 것입니다.

하지만 실제로는, 한 개의 끈만 있으면 불안정한 시스템이 만들어질 것입니다. 마치 진자와 같습니다. 다른 현들은 무게 분포에 따라 장력을 변화시켜 안정성을 더합니다.

오스트레일리아 퀸즐랜드주 브리즈번의 브리즈번 강을 가로지르는 쿠릴파 다리
(원래는 탱크 스트리트 다리)

이 현수 구조물들은 교량 건설에 실용적인 응용을 가지고 있습니다. 예를 들어, 호주 퀸즐랜드 주 브리즈번에 있는 쿠릴파 다리는 사람들이 수로를 건너는데 사용할 수 있는 가장 유명한 하이브리드 시제 그래이티 구조물 중 하나입니다. 그것은 건축물을 제자리에 고정시키기 위해 코드를 사용하는 학 같은 기둥들에 의해 매달려 있습니다.

그러나 플로팅 테이블과 마찬가지로 이 구조가 어떻게 온전하게 유지되는지 이해하기 어려울 수 있습니다. 더 나은 아이디어를 얻기 위해, 엔지니어들은 끈과 3D 프린팅 부품을 사용하여 다리 또는 플로팅 테이블의 모델을 만들 수 있습니다. 3D 프린터에 접근할 수 없는 사람들을 위해, 그들은 매달린 부품들을 레고나 팝시클 스틱으로 만들어 볼 수 있습니다.
 

텐서그리티 구조 설계 및 시뮬레이션 방법

이러한 구조를 설계하고 모델링하는 방법을 배우기 위해 플로팅 테이블과 같은 간단한 예제로 시작하는 것이 좋습니다.

플로팅 테이블의 시뮬레이션은 일부 플라스틱
빔이 압축 상태에 있고 일부는 장력 상태에 있는 방법을 보여줍니다.
대부분의 힘은 가운데 끈에 있습니다.

계산을 단순화하기 위해 엔지니어는 모델의 복잡도를 줄일 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 이 경우에, 기부, 크레인-유사 구조 및 현은 모두 각각 표면, 빔 및 스트링으로서 모델링될 수 있다. 결과적으로 솔리드 모델링이 필요하지 않습니다.

최근 Ansys Mechanical 2020 R1에 케이블 요소 기능이 추가되었습니다. 이는 이전 링크 요소로의 업그레이드입니다.

이러한 케이블 요소는 장력으로만 작동하며 끝은 자유롭게 회전할 수 있습니다. 이는 장력과 압축을 경험할 수 있고 제자리에 용접되는 빔 요소와는 다릅니다.

시뮬레이션이 생성되면 엔지니어는 이를 사용하여 케이블 배치를 최적화하여 무게를 더 잘 분배하고 고유 주파수를 설명하며 구조를 안정화시킬 수 있습니다. 케이블 중 하나가 고장날 경우 매달린 요소 중 하나가 버클 또는 파손될 우려가 있는 경우 좌굴 시뮬레이션을 실행할 수도 있습니다.

이 시뮬레이션 개념이 교량 설계로 확장된다면 엔지니어는 가변 중량 분포, 강풍, 지진 및 기타 조건에 대해서도 이를 최적화해야 합니다. 이러한 시뮬레이션을 사용하여 베이스, 크레인과 같은 구조 및 케이블이 모두 현장에서 겪을 힘을 견딜 수 있는지 확인할 수 있습니다.

결과적으로, 엔지니어들은 설계의 아킬레스건을 찾고 구조가 실제 세계에서 살아남을 것이라는 확신이 들 때까지 최적화에 집중할 수 있습니다. 일반적으로 이 최적화는 매달린 물체와 화음의 형상, 단면, 재료 및 배치를 변경하는 것으로 구성됩니다.

웨비나를 시청하여 자세한 내용을 알아보세요.
Ansys Structures 2020 R1 Update.

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