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Ansys博客

April 28, 2020

如何设计和理解独特的张拉整体结构

工程师们喜欢相互分享的视频往往描绘了非直观且引人入胜的物理系统。最近比较热门的视频是The Action Lab发布的悬浮桌,它展示了张拉整体结构的独特性质。

The Acton Lab的悬浮桌是如何工作的?


张拉整体(即拉伸完整性)描述了处于持续张力下的弦网络内的单独压缩组件系统。在完全的张拉整体结构中,这些组件不相互接触,但仍会受到压缩。

很难相信可以通过制作弦来支撑压缩载荷。我们可以这样想象,它使用抗拉强度来悬挂载荷——就像经典的起重机一样。然而弦本身不能支撑压缩。但是,通过合适的设置和平衡,它们可以悬挂处于压缩状态的组件系统。

起重机的弦是一个处于张力下的经典系统。
它本身无法支撑
压缩载荷,但
合适的张拉整体设置能够使其发生改变

采用这种悬浮压缩形式的结构能够从悬挂压缩组件、处于张力下的弦获得强度。因此,这些系统使弦能够支撑处于压缩状态的系统。

如欲了解如何进行弦仿真,敬请观看网络研讨会:Ansys结构2020 R1更新
 

了解张拉整体结构的工作原理

虽然起重机本身无法支撑压缩载荷,但它可能是构建张拉整体结构的秘诀。

悬浮桌仿真

例如,在悬浮桌示例中,构成基座和顶部的两块塑料包含了类似起重机的结构。这些结构通过中间弦的张力结合在一起。在底部和顶部每个角落添加的三根弦是为了增加稳定性。

这一切都是为了平衡重量。与类似起重机的梁相连接的弦只能在一个方向上承受重量。在完美的世界中,作用在系统上的唯一一种力就是重力,而系统将以某种方式获得平衡,那么只需要中间这条弦就足够了。

但实际上,只有一根弦将会产生一个不稳定的系统——就像钟摆一样。其它弦根据重量分布来改变它们的张力,从而增加稳定性。

Kurilpa桥(原Tank Street桥)
横跨于澳大利亚昆士兰州布里斯班的布里斯班河之上

这些悬挂结构在桥梁建设中具有实际应用。例如,澳大利亚昆士兰州布里斯班的Kurilpa桥是最著名的混合张拉整体结构之一,人们可以通过它来穿越水道。它通过一排类似于起重机的支柱悬挂起来,这些支柱使用弦将结构固定到位。

然而,就像悬浮桌一样,人们很难理解这种结构如何保持完整性。为了获得更好的方法,工程师可以使用弦和3D打印部件来构建桥梁或悬浮桌的模型。如果无法使用3D打印机,工程师也可以尝试用乐高积木或冰棒棍制作悬挂组件。
 

如何设计和仿真张拉整体结构

要了解如何设计和模拟这些结构,最好从一个简单的例子开始——比如悬浮桌。

悬浮桌仿真显示了一些塑料
梁处于压缩状态,一些则处于张力状态。
大部分力作用在中间的弦上

为了简化计算,工程师必须想办法降低模型的复杂性。在这种情况下,基座、类似起重机的结构和弦都可以分别建模为表面、梁和弦。因此,不需要进行实体建模。

Ansys Mechanical 2020 R1近期添加了线缆单元功能。这是对原链接单元的升级。

这些线缆单元仅支持张力,其末端可以自由旋转。这与能够承受张力、压缩并支持焊接的梁单元不同。

创建仿真后,工程师可以使用它来优化线缆的放置,以更好地分配重量、考虑自然频率并使结构稳定。如果他们担心当其中一根线缆发生故障时,其中一个悬挂的单元可能会弯曲或断裂,他们还可以运行屈曲仿真。

如果将此仿真概念扩展到桥梁设计,工程师还需要针对可变重量分布、强风、地震和其它条件对其进行优化。这些仿真可用于确保基座、类似起重机的结构和线缆都能够承受现场将会经历的力。

因此,工程师可以找到其设计的薄弱环节,并重点进行优化,直到他们确定该结构将能够在现实世界中生存。通常来说,这种优化将包括改变悬挂物体和弦的几何结构、横截面、材料和位置。

如欲了解更多信息,敬请观看网络研讨会: Ansys结构2020 R1更新

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