充气与展开结构的设计、分析与实验.pdf

致谢时光匆匆，两年十个月的时间弹指一挥间，研究生生活已近尾声，两年多的的时间不算长，但它却是我人生中一个很重要的阶段，在导师关富玲教授的指导下，在其它老师、同学及朋友的帮助下，在家人的支持和关爱下，使我能顺利完成学业。导师关富玲教授知识渊博，思想活跃，不拘一格，性格慈祥，对学生要求严格。从老师这里，我不仅学到了知识、经验和工作技能，更学到了做人的道理，做事的态度。我谨向导师关富玲教授表示衷心的感谢和崇高的敬意，并祝导师身体健康，生活愉快，工作如意!董石麟院士学识渊博，和蔼可亲．他主办的《空间结构》学术杂志使我了解空间结构动态、交流、学习、锻炼的机会和场所，使作者增长了见识i开阔了眼界，谨向董院士表示衷心的感谢和崇高的敬意o．‘求学期间，得到空间结构研究中心罗尧治教授、高博青教授、邓华教授、赵阳教授、袁行飞教授、肖南副教授等老师的教授和指导，获益良多，在此表示深深地感谢。学>--j期间还得到了徐彦、肖潇、张惠峰、刘亮、赵忻、程亮等师兄的指导和帮忙，还有和同学周益君和胡亮之间的互相帮助，使我感觉到团队的力量，感谢实验室戴露，夏美梦，高军虎，谢雅琪，甄盛涛等师弟师妹在学>--j上和生活上的帮助和陪伴，你们是最棒的，感谢我所能接触的所有人，因为你们生活变得有笑声，学>-j不再枯燥。感谢我的家人，感谢他们20多年来的养育之恩，没有他们的精神及物质上的支持，我也不可能顺利地完成我的学业。感谢他们无微不至的关怀，让我在困难的时候有了坚强的后盾；感谢他们从来没对我施加压力，以及对子女的信任和理解，即使失败了也能鼓励我爬起来，我从没让你们失望，将来也不会。感谢我的室友胡亮、陈强和艾文超，感谢他们平时学习和生活中的帮助，毕业了，人会四散开，但友谊会长存心间。最后，再一次感谢所有给予我帮助和支持的老师、同学、亲人和朋友，并感谢百忙之中评阅本文和出席论文答辩的各位专家、教授!钱利锋2011．02．23于浙江大学浙江人学硕fj学化论文 摘要摘要随着生活水平的提高，传统结构形式在满足人们的需求的提升上已经潜力不大，而科学技术水平的提高，加工工艺的日趋成熟，新的结构设计的出现使得人们更加希望出现贴近自然的设计，折叠展开结构就是这样一种应运而生的贴近自然、贴近生活的结构形式，一般来说，此种结构具有位形的不确定性，在结构由收缩的状态向完全展开的结果体系转变的过程中具有大位移小应变的特点。从结构特性上来说，折叠结构可以分为柔性折叠结构和刚性折叠结构，柔性折叠结构主要以折叠膜结构为代表，结构的折叠特性由材料性质决定；刚性折叠结构主要以剪铰式和铰接式为主。本文在查阅国内外大量文献的基础上分别介绍了充气展开折叠膜结构和刚性折叠展开桥梁的研究现状，并依据课题联系项目分别设计制作了一种新型的陆基充气膜结构天线和轻型的军事级别步行桥：1：，新型的陆基充气结构天线具有新型的结构形式，其外形为_个标准的球形，内部布置拼接反射面，通过维持上下球体的气压差形成反射面，周边通过索与地面实现可靠连接，这种结构形式的天线具有折叠率极高，轻质等优点，特别适用。于紧急情况如地震，洪水，战争、远程医疗等的通讯力量部署、中续、或者重建．本文对膜结构形式的此种天线进行了静力和动力分析，并针对原来的振动加速度传感器测量轻质膜结构振动时的不适用性，采用基于matlab编程的双目视觉测量方法，可以时程跟踪振动点的振动以获得结构的基频等信息；针对寻找反射面焦点困难的情况，设计了一种具有三向自由度的调焦机构，采用轻质高强的有机玻璃制作，并具有足够的调节余量。在对轻型可展军用步行桥的设计中，采用基本的刚性折叠展开机构剪式铰和套筒为元素合成桥梁纵向的展开体系，并将桥面板作为同步展开元素加入其中，使得桥梁展开的同时桥面板自动铺设完毕并被锁定，极大的提高了结构的展开效率；设计了加劲桁架以承重不同级别的荷载；在对多种锁定机构研究的基础上选定了几种合理有效的锁定机构；并对结构进行展开实验和承重实验，实验证明设计能符合要求，锁定机构能正常工作；与有限元软件分析的结果具有可比性．关键词折叠展开结构充气天线视觉测量调焦机构折叠桥锁定机构II—]浙江人学硕l：学位论文 AbstractAbstract…。‘‘‘ 。11●Withliving standards improves，traditional structure forms whichhas little potential can not meet people‘S upgrading demand already,Bythe mean time as the technology enhanced，processing technologymatures，people hope emerges new structure design which appear closerto natural design，deployable structures is one such came into being closeto nature，elose to the life structure，in general，this structure has theuncertainty configuration of the structure from the contraction state to thefully expanded state．The system transformation usually process with alarge displacement small strain characteristics．Speaking of the structural characteristics，folding structure can bedivided into flexible sheet structure and rigid folded structure，The foldedmembrane structure can mainly be represented by the fexible sheetstructure，which mainly decided by the properties of the material nature；rigid folded structure is mainly to scissor-hinge structures and gemelstructures． ’．In this paper,On the basis of accessing to large number of domesticand foreign documents introducing the inflatable folded membranestructure and rigid deployable bridge research status，and based on issuescontact the project designed and fabricated a new type of land．basedinflated membrane structures antenna and a kind of light military-gradepedestrian bridge．’Newly designed land based inflatable structure antenna has newstructural form，its shape is a standard spherical，internal layout splicingreflector,by maintaining up and down sphere pressure differenceformation reflector,With peripheral cable attached to ground torealization reliable connection，this structure antenna has high folding rateand lightweight advantages，which especially suitable for emergencycircumstances like earthquake，food，war,telemedicine communicationsforces deployment，in continued，or reconstruction．This article conductedstatic and dynamic analyses on membrane structural forms of suchantenna；The original acceleration sensors measuring lightweight111浙江人学硕lj学位论文 Abstractmembrane structure vibration is not applicable，This paper innovativelyprogramming binocular vision measurement method based on matlabcalibration toolbox to realize time．track vibration for the structure offundamental frequency information；Facing looking for reflector focuspoint difficult circumstances，a kind of freedom focusing mechanism withthree to the degrees is designed，the use of lightweight high-strengthplexiglass produced and sufficient regulation margin．In the designing process of the military pedestrian bridge of thispaper,the basic rigid deployable body scissor hinge and sleeve werechosen for the vertically launched element of the bridge system．Thispaper innovatively integrate bridge deck as a simultaneous expansionelements to the under frames，SO the bridge panel automatic lay finishedwhile bridges expand finished and locked which greatly improvesstructure expand efficiency；This design also designed stiffening truss tobearing different levels of load；in fight variety locking institutional study．basis selected several reasonable effective locking institutions；andstructure Expand experiments and loading experiments proved that designmeet requirements and locking institutions can normally work；andcomparable to the FEM software analysis results．Key Words：deployable structure，inflatable antenna，visualmeasurement，deployable bridge，locking mechanism．IV浙江人学硕fj学位论文 AbstractV浙i1=人学硕fj学位论文 日录目录致谢…………………………………………………………………………………………………………………………………I摘要………………………………………………………………………………………………………………………………．．IIAbstract…………．……………………………………………………………………………………………………………．．III目j|E………………………………………………………………………………………………………………………………1，I第一章 绪论……………………………………………………………………………………l1．1弓I言…………………………………………………………………………………………………………………．．11．2充气结构的应用与前景……………………………………………………………………21．2．1充气结构建筑……………………………………………………………………．21．2．2空间领域的应用…………………………………………………………………．41．2．3其他领域的应用……………………………………………………．．．…………。71．3军用桥梁研究现状………………………………………………………………………81．3．1浮桥…………………………………………………………………………………………………………91．3．2冲击桥…………………………………………………………………j………．1l1．3．3贝雷桥………………………………………………………………………………………121．3．4徒步桥……………………………………………………………………………l 31．4折展桥梁的研究现状…………………………………………………………………．．151．4．1民用折叠桥……………………………………………………………………．．151．4．2军用折叠桥……………………………………………………………………．．161．5本文主要工作……：．．_……………………………………………………………………．19第二章充气天线制作与结构分析……………………………………………………………一2l2．1引言………………………………………．，．………………………………………………。2l2．2充气天线方案与制作…………………………………………………………………．2 l2．2．1方案研究…………………………………………………………………………2l2．2．2充气天线制作……………………………………………………………………………252．3结构静力分析……………………………………………………………………………272．3．1膜单元…………………………………………………………………………一272．3．2有限元分析……………………………．．………………………………………282．4整体结构的频率分析………………………………………………．．．．…………………302．5本章小结………………………………………………………………………………。32第三章充气结构实验……………………………………………………………………………333．1引言……………………………………………………………………………………………．333．2充气结构精度测量．-…………………………………………………………………。343．3结构频率之视频测量方法…………。…………………………………………………353．3．1测量理论………………………………………………………………………。353．3．2 Matlab Calibration Toolbox介绍………………………………………………．．393．3．3摄像机标定过程…………………………………………………………………393．3．4振动视频测量实验……………………………………………………………。4l3．4结构电性能实验测试…………………………………………………………………。453．4．1相关知识介绍…………………………………………………………………………．453．4．2实验介绍…………………………………………………………………………46VI浙江人学硕l：学位论文 目录3．4．3实验结果…………………………………………………………………………483．5本章小结…………………………………………………………………………………5l第四章轻型军用可展桥梁设计…………………………………………………………………………534．1引言………………………………………………………………………………………………………………．．534．2展开单元与锁定装置…………………………………………………………………。544．2．1一维剪式铰单元…………………………………………………………………。544．2．2套简单元…………………………………………………………………………564．2．3折叠板单元………………………………………………………………………574．2．4驱动与锁定装置…………………………………………………………………574．3可展桥梁结构设计……………………………………………………………………。594．3．1方案比选…………………………………………………………………………594．3．2细部构造…………………………………………………………………………。624．4可展桥梁架设方法………………………………………………………………………644．4．1气浮架设方法……………………………………………………………………“4．4．2桅杆拉索式架设法………………………………………………………………．654．4．3火箭锚索拉桥式…………………………………………………………………65第五章可展桥梁的分析与实验………………………………………………………………．．695．1 adams仿真结果…………………………………………………………………………705．2 ansys模拟展开…………………………………………………………………………。725．3可展桥梁静力与动力分析……………………………………………………………～755．3．1结构刚度比较……………………………………………………………………755．3．2预应力索对结构的影响…………………………………………………………775．3．3整体静力分析…。…………厶“………………………………………………一795．3．4结构动力分析…………………………………………………………………………………………8l5．3．5结构屈曲分析……………………………………………………………………845．4模型制作与实验…………………………………………………………………………855．4．1l：1模型制作……………………………………………………………………．855．4．2模型展开实验……………………………………………………………………．865．5本章小结…………………………………………………………………………………87第六章结论与展望……………………………………………………………………………。896．1本文的主要工作和结论………………………………………．：………………………896．2进一步的工作……………………………………………………………………………89参考文献……………………………………………………………………………………………90Vn浙江人学硕lj学位论文 l绪论第一章绪论空间结构是指结构的形态呈三维状态，在荷载作用下具有三维受力特性并呈空间工作的结构，其中张拉整体结构、膜结构、开合结构、折叠结构等新型空间结构代表了现代空阃结构的发展方向。近年来，世界上建造了成千上万的大型体育馆、飞机库、展厅，采用了各类空间结构，展示着优美的造型，成为一道道地标和风景。更有无数的厂房、仓库等采用空间结构，实现了经济、合理的完美统一【一】．本文着重对空间展开结构进行了研究，并依托项目分别设计一种充气展开结构和张拉刚体展开桥梁结构，并对其进行了相应研究。’充气(展开)结构技术是一项较新的技术，无论在建筑上还是在航天上都具有广泛的应用并取得了长足的进展[4J，充气展开结构一般采用薄膜材料(如polyer薄膜)，薄膜结构内在的抗弯刚度很小，不能承受压力，因此需要充气使得薄膜预张拉形成特定的结构形式并具有一定的承载能力，其在构建大型空间结构方面具有非常独特的优势，它重量轻，强度高，可实现跨度大，构造简单，折叠率高，制作成本低，造型灵活，展开可靠性高等优点，但同时具有隔热性、防火性较差，．存在漏气需要持续供气等问题f51．本文研究工作之一主要集中在充气膜结构在空间通信领域的研究，随着对航天器性能要求的不断提高，航天器结构的大型化要求已迫在眉睫，然而采用传统的空间材料与结构技术建造大型空间结构如长期使用集居住与实验功能的空间站，存在比较大的困难，其困难主要体现在：(1)大型空问结构的构建；(2)大型空间结构的运载，例如，正在研究建造的大型太空天线，直径往往要达到十几米甚至几千米，若利用现有的空间材料与结构构建技术构建，具有很大的困难；在运载方面，虽然各型大型运载火箭不断研制成功，一次运载吨位不断提升，然而即使克服了发射质量的问题，依然存在发射体积无法满足要求的问题。传统工艺在在满足技术要求的前提下发射成本高昂【6】．空间充气结构是这些问题的有效解决方案之一。充气薄膜结构一般以柔性薄充气与展开结构的设计、分析与实验浙江人学硕fj学化论文 1绪论膜材料制造，内部为气腔，充气展开形成使用功能的一种结构。在发射前，充气结构折叠储存在火箭发射舱里，以减小发射体积，发射到太空后，结构在其内部气体压力的作用下膨胀展开，并作为航天器的功能部件使用。轻质和小的折叠体积的特点使得可以用更小运载工具发射更大的结构，从而极大的降低了成本。目前充气结构的应用研究主要有大型空间天线、望远镜、太阳能帆板、星球居住地、太阳防护罩以及能量吸收系统等等。除了应用于空间领域外，充气膜(气囊)结构也大量使用在特殊的领域，如船厂利用船舶气囊下水工艺减小投资，目前2万吨左右的船舶已多次成功利用气囊下水【71；采用先进的硫化和全缠绕技术的能承受巨大压力的起重气囊对沉箱等结构进行顶升的工艺【81；采用充气展开，玻璃纤维管承重的意大利50米快速充气人行天桥掣91。刚体展开结构在空间尤其是航空领域的同样发展迅猛，例如伸展臂、太阳帆板和可展天线。本文借鉴刚体展开结构的基本原理和展开元素设计了一种简单有效的索桁架桥梁结构，并进行了分析研究，将多种不同的单元协调组合，极大提高了展开的效率，满足特殊的设计要求．1．2充气结构的应用与前景1．2．1充气结构建筑膜结构在建筑上的应用具有悠久的历史，从远古时代人们利用树木纤维和兽皮建造的帐篷到现代建筑各式各样的薄膜结构，而充气膜结构则是膜结构中的一种特殊的结构形式。可作为体育场、展览厅、仓库、战地医院等，特别适宜于轻便流动的临时性建筑和半永久性建筑【10】具有代表性的是Mamoru Knaasuchi设计的香肠状充气膜富士馆(如图1．1)和1983年建成的加拿大温哥华体育馆(如图1．2所示)，其室内气压大致是室外气压的1．001．1．003倍．充气与腥开结构的设计、分析与实验浙江人学硕Ij学位论文 1绪论F啊，删∥∥女≯。毒jq图1．1 富士馆 图1．2 温哥华体育馆薄膜充气结构另一个有诱惑力的运用便是太空人类居住地，例如科学家正在考虑将充气结构作为月球基地的最优结构，在月球环境下，充气膜结构的荷载将主要来自结构内部气压，膜结构将主要受到张力作用．能为月球居民提供有效的掩体，运输成本低，建设时间短，可模块化生产或者组装如图1．3所示，掩体表面可充气展开，图1．3模块化的充气膜结构图1．4月球基地设想图充气月球基地的设想极大的提高了月球殖民的可能性，同时也带来了新的问充气与展开结构的设计、分析与实验