自锁式四棱柱折叠结构几何设计的ansys分析

自锁式四棱柱折叠结构几何设计的ansys分析

折叠结构是当用时展开时形成的结构。通常，剪切割断单元是基本组成的。由于切割或断裂带的节点具有弯曲特性，所以重叠结构根据折叠过程中的几何相似性可分为自锁式和外锁式。自锁折叠结构是结构的越跃特征，需要外部限制来使其成为结构。一般来说，即使骨折结构可以重复使用，折叠后的体积小，便于运输和存储。本文从折叠结构的参数设计入手,明确了自锁式平板折叠单体的四个基本几何参数.分析了折叠单体的自锁原理及其折叠过程的荷载位移曲线.由于折叠单体即可较好地体现组合网架的力学性能,通过ANSYS软件对四棱柱单体的分析并考虑稳定性和弹性设计的要求,对单体几何参数和杆件截面尺寸给出了推荐的取值范围.1平板折叠网架几何设计1.1剪铰单元间的连接构成折叠结构的基本单元为剪铰单元,如图1所示,由两根刚性杆AE和BD在其中部C通过销栓连接构成.剪铰单元间的连接是通过单元端部节点铰接实现,如图2所示.剪铰单元连接要满足完全折叠的基本几何关系为DC+CE=DF+EF,这也是所有折叠结构几何设计的基础.1.2平板叠前机构造设计构成平板折叠单体的四个基本几何参数:半杆长度a,外部剪铰单元与水平面夹角α,内部剪铰单元与水平面夹角β,多边形单体圆心角γ.如图3所示,角度规定逆时针为正,顺时针为负.1)多边形单体圆心角γ.网架由单体组合而成,因而常用的单体网格为正多边形.常用取值见表1.各个角度对应的单体为三棱柱、四棱柱、五棱柱和六棱柱.这也是组合网格整体常用的几种单体形式.而对于平板折叠网架而言,通常采用三棱柱和四棱柱单体.六棱柱单体组合同三棱柱单体组合相似,而五棱柱单体组合通常用于网壳结构.2)内部剪铰单元与水平面夹角β.内部剪铰单元是实现折叠网架自锁的关键,其与水平面夹角β控制着结构自锁的性能.3)外部剪铰单元与水平面夹角α.同样与建筑要求相关,2asinα对应着折叠网架的高度,因而应当实际情况并考虑结构构件受力特点确定.4)半杆长度a.一般应当依据建筑要求确定,同时也应当考虑建筑材料长度的限制.在基本几何参数确定的情况下,通过三角学和解析几何学的理论可以对折叠单体进行几何定位.据此作者编制了相应的程序FPMD,并可以方便地通过绘图软件如AutoCAD或是结构分析软件ANSYS即可进行几何建模.图4与图5即为平板折叠单体及组合网架.2基于anasas的载荷-位移路径的基本模型自锁折叠网架的设计思想是利用结构的越跃特点,属于几何非线性问题.和材料非线性问题相比,几何非线性问题有更复杂多样的荷载-位移平衡路径.因而对该结构进行变形全过程的非线性跟踪分析,是全面了解该结构的受力性能所必须进行的一项复杂工作.面对几何非线性的荷载-位移路径的复杂性,结构分析常用的荷载增量步长方法不能适应追踪全路径的任务,相应的分析可采用弧长法或位移增量法.弧长法精度较高但计算速度慢,位移增量法计算快且精度满足要求.本文采用位移增量法计算折叠单体的极值荷载和荷载控制的位移越跃现象.由自锁折叠结构的设计思想,其折叠和展开过程是互逆的,考虑到模型荷载和位移约束施加的方便性分析其折叠过程.ANSYS分析模型如图6所示.模型材料选用钢材,单元采用BEAM4,选择正方形实心截面边长0.01m.基本几何参数取值:α=10°、β=5°、γ=90°、a=1m.单体折叠过程中中点的荷载位移曲线如图7所示.曲线理想地展示了单体在折叠过程中控制荷载的变化规律和越跃现象,结构在完全展开和完全闭合状态下荷载为零,而荷载控制的极值点A和B是单体参数设计的关键之一.3叠前叠置结构的弹性设计方法在实际结构中由于摩擦等作用的存在,结构的折展控制荷载会有较大幅度的增加,这也会进一步影响单元内力使其相应的增加.因而,在设计折叠结构的几何参数时,应控制其单元应力处于比例极限的一定范围内.由于折叠结构可以重复使用的特点,结构应该在弹性范围内进行设计.3.1和的选取β:当β在-15°～-5°内变化时,折展控制荷载趋于0,且同单元内力一样关于-10°对称,如图8所示.考虑到实体结构在应用中的方便性,折展荷载不宜过大,应<1000N;同时考虑结构在使用过程中的受荷性能折展荷载不宜<300N.这样,在满足上述条件并考虑单元内力及其稳定性,可在5°～20°内选取合适的β值.由于对称性,同样可在-25°～-40°取值.α:由于α取值的大小直接决定了网架的高度,随参数α变化的单体反应如图9所示.因建筑要求及施工的可行性α取值应该>5°.由于折展控制荷载随着β增加而增大,因而在β=5°时,α取值宜<25°.结合折叠网架上部在应用时覆膜或其他屋面做法的方便性,推荐取值在10°～20°.a:建筑材料选用钢材,考虑建筑材料的长度及结构折展荷载的可控性,如图10所示,折展控制荷载随着a的增加而减小,因而a取值不宜>1.5m.对于一般的网架结构,折叠网架单体半杆长度a宜在1～1.5m取值;当用于临时性帐篷等情况时可适当取小,但不宜<0.5m.上述分析的内容仅仅考虑了结构在折展过程中的杆件受力及稳定性得出的结论,在实际应用中应同时保证折展过程和展开后的正常使用过程的安全性.3.2弹性受荷范围以四棱柱单体为例,基本几何参数取值:α=10°、β=5°、γ=90°、a=1m.1)当采用实心正方形截面时,单体折展控制荷载及最大单元内力变化如图11所示.考虑构件稳定性及其应力在折展过程中处于弹性受荷范围的要求,截面边长B在0.008～0.015m内取值都是合理的.B取值过大将导致材料浪费且使得折展荷载急剧增大;取值过小则会降低结构的自锁性能.2)改变截面(图12)惯性矩对结构折展控制荷载的影响,由图12可见随着截面惯性矩的增大,结构的折展控制荷载也随之增大,结构折展过程的荷载位移曲线如图12所示.结合杆件在折展过程中外围剪铰单元杆件以受拉为主,内部剪铰单元杆件以压弯为主,且内部杆件应力大外围杆件应力小的受力特点,内部剪铰单元杆件宜采用实心截面,而外围剪铰单元可以采用空心方钢管或圆钢管.4叠置转台结构设计1)折叠结构作为一种新型空间结构形式,由其本身的结构特点可用作临时结构、可展开屋盖及外太空建筑等,具有广泛的应用前景.2)折展过程中的位移越跃现象是折叠结构的自锁原理.采用ANSYS中位移增量法分析折叠单体的荷载位移曲线验证了结构完全展开和完全闭合状态下的几何相容性及折叠过程中的越跃现象.3)几