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Ansys 部落格

April 28, 2020

如何設計和理解不尋常的張拉整體結構

工程師往往喜歡與人分享難以理解卻又使人不知不覺繼續看下去的物理原理影片。目前這類型最熱門的影片是 The Action Lab 所上傳的漂浮桌,裡面的內容便展示了張拉整體結構的不尋常特性。

The Acton Lab 所製作的漂浮桌運用了什麼原理?


張拉整體結構是由獨立的受力組件在承受連續張力的線網內所形成的系統。在純粹的張拉整體結構中,這些組件雖未互相接觸,卻仍會受力。

很難相信即使是細繩也可以承擔一定的重量。我們可以把它想成是利用拉伸強度來懸掛重物,就像起重機一樣。但細繩無法獨自承重,然而,只要適當地擺放並取得平衡,細繩就能在受壓之下,懸掛一整組的物件。

起重機上的鋼索是一個經典的張力系統 。鋼索本身無法承重,
但只要正確設置張拉整體結構,
情況就會改變

經歷這種漂浮壓縮情況的結構,會從懸掛受力的物件而拉緊的線繩獲得力量。因此,這樣的組成會形成一個讓線繩能夠支撐受力的系統。

若要了解如何模擬線繩,請觀看網路研討會:Ansys Structures 2020 R1 最新消息
 

了解張拉整體結構的運行原理

雖然起重機本身不能承重,但在這之中,隱藏了建構張拉整體結構的祕密。

模擬漂浮桌

例如,在漂浮桌的範例中,構成底座和桌面的兩塊塑膠的組成相似於起重機的結構。這兩個結構透過中間細繩的張力連接成為整體。於底座和桌面的三個角落加上三條線是為了增加其穩定性。

一切都是為了平衡重量。連接到類似起重機橫樑的線只能承受單一方向的重量。在完美的世界中,作用到此系統上的力只會有重力,而且此系統只需要這根中間細繩就能達到平衡。

但在現實生活中,只用一條線無法製作出穩定的系統。其他線會根據重量的分佈情形來改變張力,從而提升穩定性。

橫跨澳大利亞昆士蘭州布里斯本河的
庫利爾帕大橋 (原為坦克街大橋)

這些懸掛結構已實際應用到橋樑的建設。例如,澳大利亞昆士蘭州布里斯本的庫利爾帕大橋就是最著名的混合張拉整體結構之一,人們可以透過這座橋過河。這座橋懸掛在一連串類似起重機的支柱上,並使用鋼索使結構保持固定。

但就和漂浮桌一樣,我們可能很難理解這種結構如何能保持完好。若要更好的理解其中的原理,工程師可以使用細繩和 3D 列印組件來製作這座橋或漂浮桌的模型。如果工程師沒有 3D 印表機,則可以嘗試使用樂高或冰棍來製作懸掛組件。
 

如何設計和模擬張拉整體結構

若要了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。

透過漂浮桌的模擬,可以得知某些塑膠
結構處於受力狀態,一些則是處於拉緊狀態。
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度。在這種情況下,底座、類似起重機的結構和細繩可以分別建模為表面、梁柱和繩子。也因如此,就不再需要建造實體模型。

Ansys Mechanical 2020 R1 中最新加入了鋼索元素功能。這是針對以前的連接元素進行升級。

這些鋼索元素只能與張力搭配使用,且兩端可以自由旋轉。這與梁柱元素不同,梁柱元素可以拉緊和受力,並且會焊接定位。

建立好模擬後,工程師可以用它來優化鋼索的擺放位置,以便更合理地分配重量、考慮自然頻率並穩定結構。如果他們擔心其中一個懸掛元素可能會在某根鋼索發生故障時彎曲或斷裂,則可以執行彎曲模擬。

如果要將此模擬概念延伸到橋樑的設計,工程師還需要針對變動的重量分佈、強風、地震和其他條件來對此模擬概念進行優化。這些模擬可用來確保底座、類似起重機的結構和鋼索都能夠承受在生活中所可能發生的各種外力。

也因如此,工程師可以找出設計中所存在的致命缺點,並專心進行優化,直到他們確定該結構能在現實世界中倖存下來。一般來說,優化的部分會包括變更懸掛物體和繩索的幾何形狀、橫截面、材料和擺放位置。

若要深入了解,請觀看網路研討會:Ansys Structures 2020 R1 最新消息

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