Ansys 部落格
April 28, 2020
如何設計和理解不尋常的張力完整性結構
工程師喜歡相互分享的影片往往描述了非直觀且迷人的物理系統。最近最受歡迎的是 The Acton Lab 的漂浮桌，它展示了張力完整性結構的不尋常性質。
The Acton Lab 所製作的漂浮桌運用了什麼原理？
張力完整性結構是由承受連續張力之線網內的獨立受力元件所形成的系統。在純粹的張力完整性結構中，這些元件雖未互相接觸，卻仍會受力。
很難相信細繩可用來承重。我們可以想像它利用其張力強度來懸吊負載 — 就像您的經典起重機。但是鋼索並不能單獨承重。然而，透過正確的設定和平衡，它們可以懸掛受力元件系統。
起重機上的鋼索是一個經典的
張力系統。它本身不能承重，
但在正確的張力完整性設定下，
情況會有所改變。
經歷了這種形式的漂浮力的結構，會從懸掛受力元件的張力鋼索獲得強度。因此，這些系統使得鋼索能夠支撐受力系統。
張力完整性是如何運作的？
雖然起重機本身不能承重，但在這之中，隱藏了建構張力完整性結構的祕密。
模擬漂浮桌
例如，在漂浮桌的例子中，構成底座和頂部的兩塊塑膠包含類似起重機的結構。這些結構透過中間細繩的張力固定在一起。加到底座和頂部每個角落的三根細繩用於增加穩定性。
重點在於平衡重量。連接到類似起重機的梁上的鋼索只能承載一個方向的重量。在理想的情況下，系統所受到的唯一力量是重力，並且系統將以某種方式平衡，只需要中間的弦線就足夠了。
但在現實中，只有一根細繩會產生不穩定的系統 — 就像鐘擺一樣。其他細繩會根據重量分佈改變其張力來增加穩定性。
澳洲昆士蘭州布里斯班市的布里斯班河上。
這些懸吊結構在橋樑建設中有實際應用。例如，澳洲昆士蘭州布里斯班的庫里爾帕橋，是最著名的混合型張力完整性結構之一，人們可以利用它跨越水道。它由一系列類似起重機的支柱懸掛著，這些支柱使用鋼索來固定結構。
然而，就像漂浮桌一樣，可能很難理解這種結構是如何保持完整的。為獲得更明確的概念，工程師可以使用細繩和 3D 列印零件來建構橋梁模型或漂浮桌。對於無法使用 3D 印表機的人來說，他們可以嘗試使用樂高或冰棒棍來建構懸掛元件。
如何設計和模擬張力完整性結構
若要瞭解如何設計這些結構並建模，首先可以先從製作漂浮桌這樣的簡單範例開始。
模擬漂浮桌顯示有些塑膠梁如何
承受壓縮力，有些如何承受張力。
力量大多集中在中間的細繩
為了簡化計算，工程師必須想辦法降低模型的複雜性。在這種情況下，底座、類似於起重機的結構和鋼索都可以分別建模為曲面、梁和細繩。因此，不需要進行實體建模。
最近在 Ansys Mechanical 2020 R1 中新增了鋼索元素功能。這是對先前的連結元素的升級。
這些鋼索元素只能在張力下運作，其末端可以自由旋轉。這與梁元素不同，梁元素可以承受張力、壓力，而且被焊接在一起。
模擬一旦建構完成，工程師就能用它來最佳化鋼索的位置，從而更妥善分配重量、考慮自然頻率並穩定結構。如果他們擔心其中一根鋼索發生故障時，懸掛的元素之一可能會發生彎曲或斷裂，他們也可以執行屈曲模擬。
如果要將這種模擬概念擴展到橋梁設計，工程師還需要針對可變重量分佈、強風、地震和其他條件對其進行最佳化。這些模擬可用於確保底座、類似於起重機的結構和鋼索在實際場地中承受所受到的力量。
因此，工程師可以找到設計中的致命弱點，並專注於最佳化，直到確定該結構在現實世界中能夠承受住。通常，這種最佳化將涉及更改懸掛物體和弦線的幾何形狀、截面、材料和位置。
若要進一步瞭解，請觀看網路研討會：Ansys Structures 2020 R1 更新。
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