索网天线找形分析的参变量变分有限元法

针对柔性空间索网天线的非线性特点,建立了基于参变量变分描述索网拉压非线性和共旋列式描述几何非线性的有限元控制方程,应用Lernke与改进牛顿法进行求解.通过对索网预张力平衡计算,证明改进牛顿法比Newton-Raphson法具有更强的收敛能力.进一步将力密度法迭代原理与有限元法结合应用于索网天线的非线性找形分析中,获得了理想的索网构型.本文的索网找形方法可广泛应用于空间索网天线结构的设计.     

“小震”作用下索网结构可靠指标β的计算方法

本文将Ｗｉｌｓｏｎ－θ法与Ｊ·Ｃ方法相结合，建立了“小震”作用下索网结构各单元承载能力可靠指标与索系正常使用可靠指标的计算方法。考虑了索网结构的几何非线性特性以及静载的影响。可求出索网结构在“小震”过程中任意时刻单元承载能力可靠指标与索系正常使用可靠指标。本文方法尚可推广用于分析“小震”作用下考虑索系材料非线性时索网结构的可靠度     

预应力索网天线结构优化设计

索网预拉力设计是索网天线结构设计的一个重要内容.针对三向网格旋转抛物面索网天线结构,首先在不计桁架结构受力变形的条件下,从索网节点的力平衡方程出发,以索网结构的结构特征为依据,以网面索段最大拉力比最小为设计目标,给出了索网结构预拉力优化设计的有效方法;其次,考虑到在索网结构的拉力作用下,桁架结构的微小变形将导致网面索段的拉力均匀性变差,通过调节索网挂接节点的位置,对桁架结构的受力变形进行了有效补偿,改进了预应力索网天线结构的整体设计方案.算例分析结果表明,天线结构网面索段的实际设计最大拉力比为1.30,验证了方法的正确性及有效性.     

FREQUENCY DOMAIN CALCULATION METHOD FOR WIND-INDUCED RESPONSE OF MONOLAYER CABLE NET

以随机振动理论为基础,采用频域法对单层索网结构风振响应进行了研究,主要探讨不同计算方法和空间相干函数的选取等问题对索网结构风振响应的影响. 依据不同的计算方法和空间相干函数,建立了3 种分析模式进行了分析. 分析结果表明：对于频率密集的索网结构,需要考虑模态交叉项对计算结果的影响;空间相干函数的选取对计算结果影响较大,采用与风频率相干的空间相干函数更为合理.     

张力索杆结构最小势能分析方法与结构特性研究

张力索杆结构为柔性多态体系,计算方法复杂。本文基于势能最小化迭代建立平衡态的最小势能方法,推导了体系势能、下降向量及步长列式,建立势能最小化共轭梯度法迭代格式,并用VC++编程实现了算法。通过正交四边形网格索网数值分析算例验证了程序正确性,并分析了新型六边形网格马鞍形双曲索网和索杆张拉整体结构的非线性荷载特性。研究表明最小势能迭代分析是一种有效的柔性张力结构非线性分析方法。     

环形桁架展开天线索网的预拉力优化技术及工程应用

针对环形桁架展开天线抛物面索网预拉力配置问题,提出了一种寻找预拉力最优配置的方法,该方法基于抛物面索网结构的平衡矩阵奇异值分解,并采用含线性不等式约束及线性等式约束的线性规划方法,寻找抛物面索网最优预拉力配置,文中对抛物面索网结构平衡矩阵的形成、奇异值分解、线性约束优化方法的数学模型、约束矩阵的集成等关键技术进行了详细的推导说明,同时,根据理论推导编写了相应的分析程序,进行了算例分析,并采用非线性有限元法对分析结果进行了验证,证明该方法的正确性.最后,通过实际的天线结构工程的设计分析,对文中提出方法的工程应用可行性进行了论证.     

单层平面索网幕墙结构的几何非线性问题研究

单层平面索网支承式玻璃幕墙结构是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构形式,由于单层平面索网不具有负高斯曲面形式,结构在平面外方向的刚度偏柔,表现出较明显的几何非线性特征.本文采用连续化方法建立了单层平面索网结构考虑几何非线性影响的静力平衡方程和振动方程,得到了结构刚度的解析表达式,并采用谐波平衡法求得非线性频率的简化解析表达式,以此为基础研究了单层平面索网结构的静力非线性和动力非线性问题.研究结果表明:结构的非线性和结构的初始位置密切相关;结构的非线性频率主要取决于索的初始应变、结构振动幅值与跨度的比值,几何非线性对于结构动力性能的影响要小于对结构静力性能的影响;本文得到的结构在地震荷载和平均风荷载作用下的非线性振动方程和非线性频率为结构在地震荷载和脉动风荷载作用下动力响应的求解奠定了基础.     

矩形平面预应力索网大变形静力计算的级数迭代法

根据平衡荷载与索网变形及索拉力之间的关系给出了索网结构平衡的微分方程,得到了矩形平面预应力索网在均布荷载、均布拉力下不考虑几何非线性的变形曲面的一种级数解;通过对变形后索拉力的改变得到了近似考虑索网结构大变形几何非线性影响的级数迭代法,给出了修正的级数迭代法使计算收敛更加迅速;该方法应用在中关村文化商厦30m×70m平面索网的设计计算中,与非线性有限元计算结果比较验证了级数迭代法计算索网变形和索拉力大小的准确性,计算精度完全可以满足工程设计的需要.     

损伤因素对单层平面索网静力性能影响研究：有限元分析与试验验证

运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型,对横索与竖索连接节点失效、索预应力损失和锚固端失效这三种损伤因素的不同损伤工况下,单层平面索网结构的受力性能进行了非线性有限元分析,并与相应的试验结果进行了全面对比分析。结果表明：本文的有限元模型能够准确地分析计算上述三种损伤因素对单层平面索网结构受力性能的影响,包括结构...     

线性强化材料索网的振动分析

讨论了线性强化材料索网振动问题,用分离变量函数导出了具有矩形底面的索网结构的自振圆频率。     

不同索网加劲的气承式膜结构受力特性研究

气承式膜结构是典型的柔性结构,具有较强的非线性,通过铺设索网以保证其具有足够的刚度和稳定性。本文首先通过缩尺试验对设有不同索网的气承式膜结构进行不同内压下的试验研究,得到了内压的变化对索力值大小的影响和变化规律;其次,采用Ansys软件建立与试验相同的模型,结果对比分析验证了数值模拟方法的准确性;最后,建立实际工程模型,研究了不同内压和矢跨比条件下结构膜面位移和应力分布,确定结构存在合理的矢跨比,并进行了两种索网布置下结构在不同内压下最大应力和位移的对比分析。研究表明,斜交索网有效约束了结构的位移并改善了膜面的受力性能,该结果能为今后相关的工程设计提供参考依据。     

张拉结构非线性分析的五节点等参单元

本文针对张拉结构的特点，提出了一种五节点等参数单元有限元模型，采用四次多项式作为位移插值函数及单元初始形状函数，并假定索是理想柔性的且满足虎克定律，基于修正的Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ坐标描述法，建立了非线性有限元基本方程和切线刚度矩阵，利用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法进行了实例计算。结果表明：本文方法精度极高，可供大跨度索网，索穹顶，拉线塔等张拉结构分析，设计时采用。     

Parameters for Modeling Stranded Cables as Structural Beams

This paper presents a method for determining the effective homogenous beam parameters for stranded cables made up of non-homogenous wires, as well as characterization of the attachment method commonly used for cable harnesses on space structures. There is not yet a predictive model for quantifying the structural impact of cable harnesses on space flight structures, and towards this goal, the authors aim to predict cable resonance behavior from basic cable measurements. Cables can be modeled as shear beams, but the shear beam model assumes a homogenous, isotropic material, which a stranded cable is not. Thus, the cable-beam model requires both knowledge of the cable constraints and calculation of effectively homogenous properties, including density, area, bending stiffness, and modulus of rigidity to predict the natural frequencies of the cable. Through a combination of measurement and correction factors, upper and lower bounds for effective cable properties and attachment stiffness are calculated and shown to be effective in a cable-beam model for natural frequency prediction. Although the cables investigated are spaceflight cables, the method can be applied to any stranded cable for which the constituent material properties can be determined.     

一种连续索滑移的处理方法

目的是建立一种快速简便的拉索滑移问题的有限元计算方法。采用基于弹性悬链线精确解的两节点悬链线单元模拟索结构中的拉索，利用求解非线性方程组的延拓法，再配以常用的牛顿法，建立了快速的给定索原长情况下的拉索刚度计算方法。此法对于一般的给定初值，能很快逼近真实解，从而扩大了解的收敛范围，更重要的是与牛顿法相比更加高效。进而采用二分法建立了索结构中拉索滑移问题处理的算法，编制了相应的程序段，并通过算例证明了其正确性。本文的拉索滑移处理方法可用于索结构的设计与施工。     

悬索结构非线性分析的滑移索单元法

本文提出了一种悬索结构存在在滑移单元时的非线性计算方法,利用文献（１）提出的五节点曲线索单元有限元基本方程,建立了滑移单元非线性分析的计算理论、方法及公式,并进行了实例计算,结果表明,本文方法是行之有效的,可供悬索结构设计、施工时参考。     

基于动力松弛法的松弛索杆体系找形分析

索杆张力结构施工成形分析需要解决一个松弛态索杆系统的平衡形态求解问题,该问题可归结为一个给定构件原长的受荷索杆机构系统的找形问题。文中利用动力松弛法进行该类松弛索杆体系的找形分析。由于不建立刚度矩阵,避免了体系几何不稳定性所引起的刚度矩阵奇异问题。该方法采用悬链线索单元模型,可以考虑索大垂度效应。文中还推导了反映索原长和内力之间关系的悬链线索单元协调方程。通过一个正交松弛索网算例分析,考察了该找形方法的计算精度和收敛性。最后还模拟了一个索穹顶的施工成形过程,表明了该找形方法用于索杆张力结构施工成形分析的有效性。     

Nonlinear dynamic analysis of space cable net structures with one to one internal resonances

The nonlinear dynamic analysis of cable net structures becomes more and more significant for their space applications required high surface accuracy, especially mesh reflector antennas. In this work, the resonant multi-modal dynamics due to 1:1 internal resonances in the finite-amplitude vibrations of cable net structures subjected to harmonic loads are investigated. The nonlinear dynamic equation of space cable net structures is first developed using the extended Hamilton principle, which belongs to the self-excited vibration with quadratic and cubic nonlinearities. Linear modal analysis is then performed to decouple the nonlinear differential equations, and yields a complete set of system quadratic/cubic coefficients. With the aim of parametrically revealing nonlinear behaviors of space cable net structures, the second-order asymptotic analysis under 1:1 internal resonance is accomplished by the method of multiple scales. The nonlinear phenomena of a planar cable net and cable net reflector, such as the bending of response curve, jump phenomena, instability regions, saddle-node bifurcation, are verified by means of numerical analysis.     

Experimental and Analytical Investigation of Carbon Fiber Cable Vibration Damping

For structures deployed in space using cables where vibration damping is critical for structural stability, cable damping is significant to structural performance. To provide a better understanding of damping mechanism of carbon fiber cables, this paper describes the tests of cable damping under different experimental configurations (different cable length, tension and type), and presents an analytical method for modeling and therefore predicting cable damping. The method is developed using simplified but physically realistic assumptions on material constitutive properties and geometric compatibility conditions, and considered the contact forces and friction between helical wires. The results of the proposed method and several related issues are discussed and compared with those from experiments. These results show that the proposed method is useful and applicable for predicting cable damping value and its variation with cable tension, length and type of the cables.     

薄膜结构的几何非线性分析

使用动力松弛法对薄膜结构进行静载分析，并提出一种方法处理皱折单元以确保荷载分析的可靠性。薄膜结构如果在某膜单元的单向应力方向发生皱折，其单元本身仍然能够继续承受荷载，因此提出索松弛单元和膜皱折单元处理薄膜的索松弛和膜皱折问题。就索网结构和薄膜结构分类给出算例进行静载分析，算例表明本文的方法可以有效处理索松弛单元和膜皱折单元，确保荷载分析的准确性。     

水下锚索动力响应分析及索力识别方法研究

海洋资源和海洋空间的开发利用是21世纪人类发展海洋的两大主题. 锚索作为海洋装备和深海建筑的重要承力和锚固构件, 其损伤和破坏将直接影响整个结构的安全性和耐久性, 因此有必要对锚索的服役期状态进行实时监测和评估. 索力是反映锚索静动力学特性的重要物理量, 掌握索力的实时变化情况对于锚索的健康监测及状态评估具有重要意义. 现有研究通常在张紧弦或简支梁模型的基础上, 采用修正索力公式或智能优化算法来识别索力, 未能充分考虑垂度引起的几何非线性影响. 为了在理论上给出物理意义更加明确、识别精度更高的锚索索力识别公式, 针对水下锚索的几何非线性及阻尼非线性特点, 首先利用等效线性化技术, 推导了锚索自由振动频率和响应的摄动解, 给出了考虑锚索垂度的频率解析表达式; 在此基础上给出了基于振动法的索力识别方案; 数值案例表明本文方法识别结果与真实值一致, 从而验证了本文方法的准确性. 相关理论和结论能够为此类工程结构的动力分析和健康监测提供理论依据.