关键词:
平面内弯曲
编织网壳结构
屈曲
高斯曲率
试验研究
摘要:
随着工业和经济的发展,网壳结构被广泛应用于大跨度空间领域当中。但如何快速合理的制造出大跨度网壳结构成为了众多学者关注的焦点。此时编织结构作为一种古老的三维结构成型技术被提出应用于空间网壳结构的找形与设计。通过分析发现,传统的编织技术在制作三维结构时多采用直条带、直杆件作为基本构件,这样形成的三维编织结构均存在一些较为严重的拓扑缺陷。至此人们意识到,如何采用平面结构如杆件或条带等编织成一些具有较小拓扑缺陷和连续几何形状的三维曲面结构是个巨大的挑战。针对此问题,Baek等学者根据传统的编织工艺突破性地提出了一种新型三维曲面结构成型方法:将传统编织技术中的直条带设计成平面内具有一定曲率的弯曲条带,条带与条带之间采用铆钉进行固定。利用这种编织方法形成的三维曲面结构其拓扑缺陷较小,几何构型更加光滑、连续,高斯曲率更接近连续体。
但Baek等学者仅仅对采用含平面内弯曲条带编织得到的三维结构几何性能进行研究,得出了单根条带平面内弯曲曲率与结构高斯曲率之间的关系,对采用弯曲条带编织成的网壳结构的屈曲力学性能却没有研究,采用含平面内弯曲条带编织得到的三维网壳结构的高斯曲率与屈曲临界荷载、破坏模式之间的关系并未得到。针对此,本文以高斯曲率为研究轴线系统地对采用弯曲条带编织成的不同高斯曲率网壳结构的轴压屈曲力学性能进行研究,主要内容如下:
(1)对球形编织结构、椭球形编织结构(正高斯曲率)进行轴压屈曲试验研究。首先提出了球形和椭球形编织结构的设计和制作方法,得到球形编织结构和椭球形编织结构的屈曲破坏模式。然后对球形编织结构、椭球形编织结构进行几何参数分析,详细研究了高斯曲率、条带宽度、条带厚度等几何参数对结构轴压屈曲性能的影响。然后根据球形、椭球形编织结构的试验结果,提出了适用于球形和椭球形编织结构的轴压屈曲理论。并且基于这种屈曲理论得出了描述球形编织结构和椭球形编织结构的临界屈曲荷载公式。此外,基于对球形编织结构和椭球形编织结构的研究,提出了正高斯曲率编织结构的屈曲荷载标度律和高斯曲率简化公式,也得出了正高斯曲率编织结构条带的几何尺寸限值。
(2)对圆环壳编织结构(正、负高斯曲率)进行轴压屈曲试验分析,提出了圆环壳编织结构的设计和制作方法,揭示了圆环壳编织结构在轴压荷载作用下的屈曲破坏模式。探究了不同条带宽度、不同条带厚度对圆环壳编织结构轴压屈曲力学性能的影响。然后基于有限元分析软件ABAQUS对圆环壳编织结构进行非线性有限元分析。采用弯曲建模的方法解决了圆环壳编织结构建模困难等问题,并通过有限元分析研究了不同高斯曲率的圆环壳编织结构的屈曲力学性能。此外基于正高斯曲率编织结构的屈曲荷载标度律,结合圆环壳编织结构的试验结果,得到了可以描述圆环壳编织结构的屈曲荷载公式,最后通过试验数据验证了该公式的准确性。
(3)根据圆环壳编织结构的设计方法,提出了双曲形编织结构具体的设计和制作方法,并且根据上述的设计方法设计了不同轴比的双曲形编织结构。然后对双曲形编织结构(负高斯曲率)的轴压屈曲力学性能进行研究。通过试验揭示了双曲形编织结构的破坏模式,分析了轴比变化对双曲形编织结构轴压屈曲力学性能的影响。通过弯曲建模的方法,建立了双曲形编织结构的有限元模型。并且对不同条带厚度、不同条带宽度的双曲形编织结构进行非线性有限元分析。结合试验揭示了条带厚度、条带宽度对双曲形编织结构屈曲力学性能影响的规律。并且根据正高斯曲率编织结构轴压屈曲荷载标度律,提出了双曲形编织结构的轴压屈曲荷载公式,并且通过试验数据验证了该公式的准确性。
(4)通过对正高斯曲率编织结构(球、椭球结构),负高斯曲率编织(双曲形结构),正、负高斯曲率编织结构(圆环壳结构)的屈曲研究,提出了采用弯曲条带编织成的规则网壳结构的屈曲荷载标度律,构建了编织结构高斯曲率与轴压屈曲荷载之间的关系,揭示了不同结构的破坏模式,并且总结出了不同编织网壳结构简化的高斯曲率公式和屈曲系数。