空间可展结构体系与分析导论

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 空间可展结构定义、工作原理与分类

1.3 国外空间可展结构研究与应用

1.4 国内空间可展结构的研究与应用

1.5 本书内容概要

参考文献

第2章 空间伸展臀

2.1 引言

2.2 国内外研究现状及发展趋势

2.3 薄壁管状伸展臀

2.4 套筒管状伸展臀

2.5 铰接式伸展臀

2.6 盘绕式伸展臀

2.7 滑动铰接构架伸展臀

2.8 伸展臀比较分析

参考文献

第3章 空间可展天线

3.1 引言

3.2 网状反射面可展天线

3.3 刚性反射面可展天线

3.4 充气可展天线

第4章 充气式空间可展结构

4.1 引言

4.2 充气薄膜材料

4.3 刚化机理

4.4 充气系统

4.5 应用

参考文献

第5章 可展体系与机构综合分析

5.1 引言

5.2 可展元素与可展桁架单元

5.3 可展体系非矩阵分析方法

5.4 体系平衡方程与平衡矩阵

5.5 体系平衡方程与体系分析

5.6 体系分类与判定

5.7 矩阵秩和子空间计算

5.8 体系约束与内外机构模态

5.9 可展体系和一些基本概念

参考文献

第6章 正八面体桁架单元系空间伸展臀

……

第7章 可展桁架展开过程分析理论与方法

第8章 可展桁架展开动力学分析的理论与方法

第9章 可展结构多体系统动力学分析的理论与方法

第10章 剪式铰单元可展折叠结构分析理论

第11章 四面体桁架单元扭簧驱动可展体系分析理论与方法

第12章 盘绕式空间伸展绕屈曲分析

附录A 作者完成的相关课题

附录B 作者完成的主要相关论文 2100433B

《空间可展结构体系与分析导论》是作者根据多年研究成果总结而成的关于空间可展结构体系的专著。主要介绍了空间可展结构体系、机构设计、工作机理及构造特点，并针对不同体系、不同层面的分析理论介绍了专题性研究成果，包括机构综合分析、展开过程分析、展开动力学模拟、特殊体系的结构分析理论方法，如：八面体桁架单元及伸展臀体系、剪式铰单元结构体系分析理论、四面体桁架单元扭簧驱动可展结构体系结构分析理论、盘绕式空间伸展臀折叠屈曲稳定理论。

《空间可展结构体系与分析导论》既可作为从事航天结构设计开发人员的参考书，也可作为航天或力学领域科研人员以及高校、研究所研究生的教学、科研参考用书。

网格式可展结构体系与分析内容简介

《网格式可展结构体系与分析》可作为结构工程专业的教师、研究生和高年级本科生使用，也可供相关领域的工程技术人员提高创新设计能力之用。

网格式可展结构体系与分析作者简介

蔡建国，1984年8月出生，江苏靖江人，博士，讲师。2005年毕业于东南大学土木工程专业获工学学士，并荣获中国土木工程学会高校优秀毕业生称号，后被保送硕—博连读于东南大学土木工程学院结构工程专业，2012年获得博士学位，同年留校任教。于2008—2009年在美国加州理工学院空间结构实验室访问一年，从事可展结构的研究。现主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、教育部高等学校博士学科点专项科研基金、江苏高校优势学科建设工程资助项目各1项：参加了包括国家自然科学基金项目、江苏省六大人才高峰项目等在内的多项课题的研究；并参与多项重大工程项目专题研究，如新广州站大跨度空间结构研究、山东博物馆新馆屋盖结构试验研究等。近年来在国内外学术期刊和学术会议发表论文60余篇，其中以第一作者发表论文SCI收录25篇；申请发明专利20余项。现主要从事可展结构的理论研究、结构分析与试验研究，以及空间结构抗连续倒塌等的研究。

1绪论

1.1可展结构的概念

1.2国内外研究现状与分析

1.2.1可展结构的历史

1.2.2可展结构理论研究

1.2.3单元构架式可展结构

1.2.4折叠网格结构

1.2.5索杆式可展结构

1.2.6可展张拉整体结构

1.3本书的结构安排

2成角度剪式单元及其连杆机构的可动性分析

2.1几何学方法

2.1.1径向可动的几何条件

2.1.2剪式单元的运动轨迹分析

2.2螺旋互易定理简介

2.2.1运动和约束的螺旋描述

2.2.2螺旋互易定理

2.3剪式单元的可动性判断

2.3.1Hoberman单元

2.3.2GAE1单元以及非交叉剪式单元

2.3.3GAE2单元

2.4基于体系约束Jacobian矩阵的自由度分析方法

2.4.1刚性约束条件

2.4.2铰接节点约束条件

2.4.3成角度剪式单元约束条件

2.4.4边界约束条件

2.4.5系统约束方程

2.4.6计算流程

2.5基于成角度剪式单元平面连杆机构的自由度分析

2.5.1Hoberman连杆机构

2.5.2You和Pellegrino等腰三角形连杆机构

2.5.3You和Pellegrino相似三角形连杆机构

2.5.4非交叉单元连杆机构

2.6基于平行四边形法则的平面连杆机构

2.7本章小结

3连杆机构运动过程中运动奇异点分析

3.1基于螺旋互易定理的运动奇异点判断

3.1.1平面四连杆机构的可动性

3.1.2运动奇异点判断

3.2矩阵分析法

3.2.1运动学描述

3.2.2闭环连杆机构

3.3一阶分析

3.3.1预测步

3.3.2修正步

3.3.3计算结果

3.4二阶分析

3.4.1理论推导

3.4.2计算结果

3.5本章小结

4径向可开启屋盖结构的运动过程研究

4.1二维体系的运动特性

4.1.1几何分析

4.1.2运动界线

4.2三维体系的几何分析

4.3受力性能分析

4.3.1基本模型

4.3.2计算结果

4.4运动过程分析

4.4.1基本模型的运动过程分析

4.4.2初始缺陷的影响

4.4.3矢跨比的影响

4.5具有固定支座体系的几何设计

4.6本章小结

5径向展开式索撑网壳结构受力性能研究

5.1基本模型

5.1.1几何构形

5.1.2索撑网壳单元的基本力学特性

5.1.3有限元模型

5.2静力特性分析

5.2.1索撑网壳与普通网壳的静力特性分析

5.2.2矢跨比对结构静力特性的影响

5.2.3钢杆件截面对结构静力特性的影响

5.2.4索截面对结构静力特性的影响

5.2.5索初始预应力对结构静力特性的影响

5.3结构参数对弹塑性极限承载能力的影响

5.3.1矢跨比对弹塑性极限承载能力的影响

5.3.2钢杆件截面对弹塑性极限承载能力的影响

5.3.3索截面对弹塑性极限承载能力的影响

5.3.4索初始预应力对弹塑性极限承载能力的影响

5.4索撑网壳的缺陷稳定性分析

5.4.1缺陷模式对弹塑性极限承载能力的影响

5.4.2缺陷大小对弹塑性极限承载能力的影响

5.5本章小结

6折叠网架结构的受力性能及其运动过程研究

6.1几何设计

6.1.1平面四连杆机构

6.1.2折叠网架结构

6.2折叠网架结构受力性能分析

6.2.1计算模型

6.2.2折叠网架结构的极限承载力分析

6.3初始缺陷对结构极限承载力的影响

6.4折叠网架结构的运动过程分析

6.4.1理想结构的运动过程分析

6.4.2有初始缺陷结构的运动过程分析

6.4.3初始缺陷大小对折叠网架折叠完成时最大应力的影响

6.5本章小结

7基于剪式单元网壳结构的运动过程及其承载能力分析

7.1体系介绍

7.2基本模型

7.3柱面索拉网壳施工过程分析

7.4结构参数对柱面索拉网壳施工过程影响

7.4.1矢跨比对柱面索拉网壳施工过程影响

7.4.2钢杆件截面对柱面索拉网壳施工过程影响

7.4.3单元网格长宽比对柱面索拉网壳施工过程影响

7.4.4外扩跨度对柱面索拉网壳施工过程影响

7.5柱面索拉网壳弹塑性极限承载能力分析

7.6结构参数对结构极限承载能力的影响

7.6.1矢跨比对结构极限承载能力的影响

7.6.2钢杆构件截面对结构极限承载能力的影响

7.6.3索截面对结构极限承载能力的影响

7.6.4索初始预应力对结构极限承载能力的影响

7.6.5单元网格长宽比对结构极限承载力的影响

7.6.6外扩跨度对结构极限承载力的影响

7.7其他材料对结构施工过程的影响

7.8本章小结

8索杆张力结构的初始预应力水平设计

8.1基本理论

8.1.1平衡矩阵

8.1.2结构稳定性分析

8.1.3初始预应力的确定

8.2算例分析

8.2.1平面索杆结构

8.2.2张拉整体结构

8.2.3空间索杆结构

8.3本章小结

9考虑约束条件的索杆张力结构找形研究

9.1能量法

9.1.1理论基础

9.1.2力密度法的缺点

9.1.3能量法

9.2计算流程

9.3算例

9.3.1平面索杆结构

9.3.2索穹顶结构

9.3.3空间索桁结构

9.4本章小结

10索杆式折叠帐篷结构的受力性能研究

10.1基本力学特性

10.1.1几何分析

10.1.2初始预应力水平

10.1.3最短压杆长度

10.1.4最大承载能力

10.2有限元分析

10.2.1基本模型

10.2.2静力性能分析

10.2.3特征值屈曲分析

10.2.4非线性屈曲分析

10.2.5初始缺陷的影响

10.3参数分析

10.3.1矢跨比的影响

10.3.2竖向压杆长度的影响

10.3.3初始预应力水平的影响

10.4本章小结

11索杆式折叠网架结构的理论分析与试验研究

11.1基于CP单元折叠网架的几何分析

11.1.1基本单元及其初始预应力水平

11.1.2折叠体系

11.1.3折叠展开方式

11.2基于CP单元折叠网架的节点设计和模型制作

11.2.1节点设计

11.2.2模型制作

11.3基于CP单元折叠网架的受力性能分析

11.3.1静力性能分析

11.3.2自应力水平对结构静力性能的影响

11.3.3温度变化对结构静力性能的影响

11.3.4拉索破断对结构静力性能的影响

11.4基于DP单元折叠网架的几何分析

11.4.1基本单元

11.4.2折叠体系

11.4.3折叠展开方式

11.5基于DP单元折叠网架的节点设计和模型制作

11.5.1节点设计

11.5.2模型制作

11.6基于DP单元折叠网架受力性能分析

11.6.1静力性能分析

11.6.2自应力水平对结构静力性能的影响

11.6.3温度变化对结构静力性能的影响

11.6.4拉索破断对结构静力性能的影响

11.7本章小结

12折叠索穹顶的几何及其预应力水平分布研究

12.1几何分析

12.1.1折叠索穹顶

12.1.2径向可开启式索穹顶

12.2预应力分布的确定

12.2.1数学模型

12.2.2算例

12.3考虑压杆初弯曲的张拉整体结构受力性能分析

12.3.1基本模型

12.3.2解析法

12.3.3分析结果

12.3.4有限元验证

12.4本章小结

13基于2V型索杆单元折叠结构的受力性能研究

13.1几何分析

13.1.1基于拉索方式的折叠模型

13.1.2基于压杆方式的折叠模型

13.1.3改进后的折叠模型

13.2受力性能分析

13.2.1基本模型

13.2.2拉索滑移的考虑

13.2.3计算结果

13.3温度变化对结构静力性能的影响

13.4拉索断裂对结构静力性能的影响

13.5本章小结

参考文献

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5.3.3 索截面对弹塑性极限承载能力的影响

在保持其他参数均不变的条件下，改变索截面的面积，来考察其对结构极限承载力的影响。取不同的索截面（直径分别为8 mm、10 mm、12 mm、15 mm、20 mm）对结构进行分析。

当以索面积为参数时，令“基本模型”的索面积为单位1，同时改变索截面的面积，则其余模型的截面系数为m，得到图5.26中的计算结果。

由图5.26可看出，对于全跨荷载和半跨荷载作用下，随着索截面的增大，结构的弹塑性极限承载能力增大，当索直径取20 mm时达到最大值。从荷载一位移曲线图中可看出，索面积的改变对结构刚度略有影响。总的来说，拉索面积对结构刚度的影响不明显。

综上，拉索面积（包括环向索和径向索）对索撑网壳的极限承载力影响较小，因此无需通过增大拉索面积来改善结构的稳定性能。

5.3.4 索初始预应力对弹塑性极限承载能力的影响

在保持其他参数均不变的基础上，以“基本模型”的拉索初始预张力为标准，来考察不同预应力水平对结构极限承载力性能的影响。对拉索取不同的初始预应力值（o MPa、50 MPa、100 MPa、150 MPa、200 MPa、300 MPa）对结构进行分析计算。

图5.27给出了不同预应力大小对索撑网壳极限承载力的影响结果，其中令“基本模型”的拉索初始预张力为单位1。由图5.27可看出，索撑网壳的极限承载力随着预应力水平的提高而增加，但极限荷载的增幅并不明显。以“基本模型”为准，当预应力水平提高l倍，极限荷载仅增加1.08%；当蓣应力水平降低1倍，极限荷载仅降低1.08%。由此说明了预应力对提高结构极限承载力的贡献较小。

对于索撑网壳来说，在正常使用阶段，合理拉索预应力的施加可有效调整结构的变形，降低杆件内力峰值，并减轻下部支承体系的负担，但是并不能通过改变预应力大小来显著提高结构的极限承载力。因此，在满足正常使用阶段结构各项性能指标的前提下，预应力值不宜取过高。

综上，预应力水平对提高索撑网壳结构极限承载力的贡献较小，若单纯通过增大拉索预应力来改善结构的极限承载力并非明智选择，反而可能带来其他不利影响，因此，在满足正常使用阶段结构各项性能指标的前提下，预应力值不宜取得过高。2100433B