扭转力矩作用下的最小质量张拉整体结构设计方法技术

一种扭转力矩作用下的最小质量张拉整体结构设计方法，方法分为两步，一步是将节点均约束在一个球面上，进一步地将节点分布在两组球面对数螺旋上，即球面上的两组航迹线上。而节点的拓扑连接关系采用双螺旋交叉连接形式。压杆在和拉索均沿着这两族螺旋布置，将螺旋上的节点联通，但两族螺旋上的压杆在节点处并不相交。特别的，为了保证扭转力矩作用下的最小质量特性，两族螺旋在各自交点处在球面上相互正交。按照本发明专利技术给出球面正交航迹线布置下，当该结构在双向扭矩作用时，可以获得最小质量的张拉整体结构。这对于大型结构的减重效果将更为明显。同时，通过合理选择结构的复杂度，该结构还可以承受径向载荷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及到张拉整体结构领域，具体涉及一种扭转力矩作用下的最小质量张拉整体结构设计方法。
技术介绍
张拉整体结构(Tensegrity)由美国建筑师富勒(Fuller)和他的学生斯内尔森(Snelson)专利技术。张拉整体结构由两种构件组成，一种是受拉的拉索，另一种是受压的压杆。这两种构件相互连接，形成连续的张拉结构。其中的压杆只受到压力，而拉索只受拉力。该结构体系能够高效的利用材料和结构拓扑属性，最大化的减小结构质量。在某种情况下，已经证明张拉整体结构是同等强度下的最优结构。起初，张拉整体结构主要应用于雕塑等艺术领域。随后，在建筑和桥梁结构中得到应用。在一些需要进行变形控制和轻质结构要求的领域也得到了很好应用，例如空间可展机构、变形机翼、隔振平台、仿生机器人等。目前，张拉整体结构虽然在国外已经有了初步应用。但张拉整体结构的优良特性并没有完全展示出来，其潜力有待进一步发掘。这一方面由于张拉整体结构是一种运动不定和静不定的结构，其分析和建模都较一般结构更困难。另一方面，目前尚无有效的设计方法来获得最优的拓扑结构。为了展示张拉整体结构的优越性能，可以先对典型的结构进行比较分析，优化张拉整体结构的拓扑结构，获得某种意义下的最优结构。这对未来具体结构的设计将起到基础性的指导作用。
技术实现思路
为了获得最优的扭转结构，本专利技术提供一种扭转力矩作用下的最小质量张拉整体结构设计方法。本专利技术采用以下技术方案：一种扭转力矩作用下的最小质量张拉整体结构设计方法，步骤如下：(1)根据结构所受方向相反的两个扭矩的作用点距离，将该距离作为张拉整体结构球面的直径Rd；(2)确定球面上两族航迹线，其中一族航迹线左旋，另一族航迹线右旋，每族航迹线数目p相等；(3)确定球面张拉整体结构沿着纬度方向的网格数目，即q，为了获得最小质量结构，取p＝q，此时保证两组螺旋在交点处相互球面意义下正交；(4)确定最优复杂度，即p、q的值，该确定过程按照具体实施方式最后给出的方法进行；(5)沿着两族螺旋布置压杆，布置在同一条螺旋线上的压杆，从一个螺旋的节点n1(i,k)出发，跨越节点n2(i,k)，而另一组压杆沿着与此螺旋相反的螺旋布置，连接在n2(i,k)上，这两组压杆并不相交；(6)布置拉索：拉索除了沿着这两族螺旋线将相邻节点连接在一起外，还沿着球面的经线和纬线将相邻节点连接在一起，从而完成整个张拉整体结构。本专利技术的优点：张拉整体结构仅由两种简单构件组成，压杆仅受压力，拉索仅受拉力，外扭矩在其中形成高效的压力和拉力分布，由抗压能力强的材料制成的压杆和由抗拉能力强的拉索各自发挥各自强度优势。按照本专利技术给出球面正交航迹线布置下，当该结构在双向扭矩作用时，可以获得最小质量的张拉整体结构。这对于大型结构的减重效果将更为明显。同时，通过合理选择结构的复杂度，该结构还可以承受径向载荷。因此，该结构可以应用于对要求质量轻或对结构质量敏感的应用领域，例如空间可展机构、空间机械臂和行星表面探测用的星球车车轮等。附图说明图1为扭转力矩作用下的最小质量张拉整体结构球的俯视图；图2为扭转力矩作用下的最小质量张拉整体结构球的侧视图；图3为扭转力矩作用下的最小质量张拉整体结构球三维立体图；图4为平面上的对数螺旋线图；图5为球面上的航迹线图；图6为有两族航迹线的球面的俯视图；图7为图6的侧视图；图8为球面航迹线螺旋上的张拉整体结构的构造示意图；图9为该张拉整体结构的俯视图；图10为图9的侧视图。具体实施方式下面根据说明书附图举例对本专利技术作进一步说明：实施例1一种扭转力矩作用下的最小质量张拉整体结构设计方法，步骤如下：(1)根据结构所受方向相反的两个扭矩的作用点距离，将该距离作为本专利技术张拉整体结构球面的直径Rd；(2)确定球面上两族航迹线，其中一族航迹线左旋，另一族航迹线右旋，每族航迹线数目p相等，例如p＝6；(3)确定球面张拉整体结构沿着纬度方向的网格数目，即q，为了获得最小质量(即质量最小意义下的最优结构)结构，取p＝q，此时保证两组螺旋在交点处球面意义下相互正交；(4)确定最优复杂度，即p、q的值，该确定过程按照具体实施方式最后给出的方法进行；(5)沿着两族螺旋布置压杆，布置在同一条螺旋线上的压杆，从一个螺旋的节点出发，如附图8中的节点n1(i,k)，跨越节点n2(i,k)，而另一组压杆沿着与此螺旋相反的螺旋布置，连接在n2(i,k)上，这两组压杆并不相交。(6)布置拉索：拉索除了沿着这两族螺旋线将相邻节点连接在一起外，还沿着球面的经线和纬线将相邻节点连接在一起，从而完成整个张拉整体结构。实施例21.平面上的对数螺旋平面上的对数螺旋和直线y＝ax+b的关系可以通过图4表示出来。极坐标形式的平面对数螺旋方程为r＝Aeθ/α且A＝e-b/α (1)由图4中可以看到，代表直线斜率的参数α可以看作为螺旋线与各条射线的夹角。b为待选择的常数(实际上，之后会看到，通过选择不同的b，可以产生一族对数螺旋)。如图4所示，左侧为平面上的对数螺旋线，右侧为平面上对数坐标下的直线。二者之间存在变换或映射关系。对数螺旋通过自然对数Log作用下，映射成右侧图直线。而右侧图直线在自然指数Exp变换下，映射成左侧图的对数螺旋线。对数螺旋线S与各条射线交角相同，均为α。由于对数变换为保角变换，该直线与水平线交角亦为α角。此处，需要指出的是，当α＝1时，意味着螺旋线与射线的交角为45度。2.航迹线方程球面上的对数螺旋，即航迹线如图5所示，该螺旋与所有经线的夹角相等。该航迹线由复平面上的对数螺旋通过立体投影而得到。这样，方程(1)表示的对数螺旋在立体投影的映射下，其在球面上的坐标参数化方程为 X = 2 r c o s θ 1 + r 2 Y = 2 r s i n 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种扭转力矩作用下的最小质量张拉整体结构设计方法，其特征在于，步骤如下：(1)根据结构所受方向相反的两个扭矩的作用点距离，将该距离作为张拉整体结构球面的直径Rd；(2)确定球面上两族航迹线，其中一族航迹线左旋，另一族航迹线右旋，每族航迹线数目p相等；(3)确定球面张拉整体结构沿着纬度方向的网格数目，即q，为了获得最小质量结构，取p＝q，此时保证两组螺旋在交点处相互正交；(4)确定最优复杂度，即p、q的值，该确定过程按照具体实施方式最后给出的方法进行；(5)沿着两族螺旋布置压杆，布置在同一条螺旋线上的压杆，压杆沿着两族螺旋布置，从一个螺旋的节点n1(i,k)出发，跨越节点n2(i,k)，而另一组压杆沿着与此螺旋相反的螺旋布置，连接在n2(i,k)上，这两组压杆并不相交。(6)布置拉索：拉索除了沿着这两族螺旋线将相邻节点连接在一起外，还沿着球面的经线和纬线将相邻节点连接在一起，从而完成整个张拉整体结构。

【技术特征摘要】
1.一种扭转力矩作用下的最小质量张拉整体结构设计方法，其特征在于，步骤如下：(1)根据结构所受方向相反的两个扭矩的作用点距离，将该距离作为张拉整体结构球面的直径Rd；(2)确定球面上两族航迹线，其中一族航迹线左旋，另一族航迹线右旋，每族航迹线数目p相等；(3)确定球面张拉整体结构沿着纬度方向的网格数目，即q，为了获得最小质量结构，取p＝q，此时保证两组螺旋在交点处相互正交；(4)确定最优复杂度，即p、q...

【专利技术属性】
技术研发人员：何景峰，姜洪洲，佟志忠，张辉，叶正茂，黄其涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23