含有三维受压构件的张拉结构的设计与控制技术

Tensegrity provides a mechanism to explore lightweight and rapidly deployable modular structures that have a high degree of freedom and formal potency. Form-finding of normal tensegrity structures within a computational environment have proven difficult, as they are statically indeterminate and require form finding procedures to find a geometry compatible with a self-stress state. To solve the form finding difficulties, the notion of tensegrity structures with 3D compressed components is suggested. The construction has the advantage of fewer components, less freedom, easy pre-stress control and logical spatial deployment. In optimizing the modules, the tensile forces in cables are set as boundary conditions, the modules are defined by the Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) method. Compelete digital model is assemled in a rhino dependent software. Finally,physical models are built to examine the principle. This project includes form-finding and geometry analysis, structural optimization, digital modeling and physical modeling. Hopefulling the research can give a new inspiration in tensegrity structure investigation.

张拉结构是由不连续的受压构件和连续的受拉绳索组成的特殊结构体系。由于其轻质，非连续，容易形成大跨度等特征，张拉结构从上世纪六十年代提出后，就成为国际研究热点。传统张拉结构通常是杆索结构，存在自由度大，预应力难控制，空间找形和布局困难，工程运用技术难度大的问题。本项目提出了用三维受压模块代替一维受压杆的三维张拉结构的概念，研究三维实体在非连续张拉系统中的性质与运用。首先采用几何拓扑方法对若干空间几何体进行分类，发现其一个到多个方向的延展特性，来组成三维空间结构。其次是对设想边界条件下的三维受压构件的定形，以外接绳索张力作为边界条件，建立有限元模型，用双向渐进设计方法对三维受压构件找形，并建立整体的张拉模型。最后建立物理模型，进行各种力学测试。本项目拓展了张拉结构理论，提出了数值优化在张拉设计上的运用，包含有限元模拟，物理模型，力学测试几个方面，为含三维构件的张拉结构发展提供了新的蓝图。

含有三维受压构件的张拉结构是指由受拉绳索和三维空间构件组成的特殊张拉结构体系。本项研究主要解了这种复杂张拉结构的设计分类，稳定性计算，受力分析，误差分析，实际运用等关键问题。研究通过几何分析和几何拓扑，解决了结构分类、构件连接和力学模型的建立问题。通过对受压杆件作为梁单元来考虑弯矩的稳定性分析，建立了新的平衡矩阵并解决了矩阵求解的问题。研究了受压构件作为梁单元后的体系荷载态与位移分析。研究了利用数值算法，在结构平衡，绳索受压，和绳索受力均匀条件下的绳索预应力优化问题。研究了在结构预应力绳索分类并确定预应力的条件下，对结构中的三维受压构件进行拓扑优化分析。考虑了结构位移条件下的误差分析对平衡矩阵影响的问题。考虑了利用拓扑优化方法对空间结构中的节点进行优化的问题。本项研究拓展了传统张拉结构理论，详细阐述了含有三维受压构件张拉结构体系的几何设计与力学模型，利用现代化的数值计算和拓扑优化的方法对构件和绳索预应力进行分析计算。本项研究中运用的预应力找形的数值计算方法，受压构件与节点的双向渐进结构优化算法，被同时运用到了多项国内大型工程项目当中，取得了良好的效果。