如何設計和理解獨特的張力結構

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發佈日期 2020-05-11


如何設計和理解獨特的張力結構

工程師喜歡彼此分享的視頻往往會描繪出非直覺且引人入勝的物理系統。最近最喜歡分享的是動作實驗室的浮動桌子,它展示了張力結構獨特的性質。



張力或拉伸完整性描述了一個在連續拉力作用下的弦環式網路中的隔離壓縮組件系統。在純張力結構中,這些組件不會接觸,但會受到壓縮。

很難相信可以製作字符串來支持壓縮負載。我們可以想像它像傳統起重機一樣利用其抗拉強度懸掛負載。但是,弦無法單獨支持壓縮。不過,通過正確的設置和平衡,他們可以暫停正在壓縮的組件系統。

經歷這種形式的浮動壓縮結構會從處於拉伸狀態的弦中獲得強度,從而使壓縮的部件懸吊起來。結果,這些系統使弦能夠在壓縮狀態下支撐系統。

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了解張力結構如何運作

儘管起重機不能獨自承受壓縮負載,但它可能是建造張力結構的秘訣。

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(影片詳見:https://www.ansys.com/blog/design-floating-structures-tensegrity


例如,在浮動桌子的範例中,構成底部和頂部的兩塊塑料包含一個類似起重機的結構。這些結構透過中間的弦的張力支撐在一起。在底部和頂部的每個角添加了三條弦線,來增加穩定性。

這都是為了平衡重量。附著在像起重機樑上的弦只能在一個方向上承受重量。在一個理想的世界中,作用在系統上的唯一展現力的強度將是重力,且系統將以某種方式平衡,來使中間的弦線成為所需要的全部。

但實際上,只有一根弦會造成不穩定的系統—像鐘擺。其他的弦透過根據重量分佈改變其張力來增加穩定性。

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這些懸掛結構在橋樑建造中具有實際應用。例如,澳大利亞昆士蘭州布里斯班的Kurilpa橋是人們可以用來在水道上穿越的最著名的混合張力結構之一。它由一系列吊車狀支柱懸掛,用弦將結構固定在適當位置。

但是,就像浮動桌子一樣,可能很難理解這種結構如何保持完整。為了獲得更好的構想,工程師可以使用線和3D列印的零件來構建橋或浮動工作台的模型。對於那些無法使用3D列印機的用戶,他們可以嘗試使用Lego或Popsicle棍構建懸掛的組件。


如何設計和模擬張力結構

要學習如何設計和建模這些結構,最好從一個簡單的範例開始,例如浮動桌子。

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(影片詳見:https://www.ansys.com/blog/design-floating-structures-tensegrity


為了簡化計算,工程師將必須找到降低模型複雜性的方法。在這種情況下,可以將基礎,類起重機結構和弦分別建模為表面、樑和弦。結果,不需要實體建模。

最近在Ansys Mechanical 2020 R1中添加了電纜元件功能。這是對先前鏈接元素的升級。

這些電纜元件只能承受拉力,且其末端可以自由旋轉。這不同於可以承受拉力、壓縮力並焊接到位的樑單元。

一旦創建了模擬,工程師就可以使用它來優化電纜的放置,來更好地分配重量、考慮固有頻率並穩定結構。如果其中一根電纜失效,他們擔心懸掛的元件之一可能會彎曲或折斷,他們也可以運行彎曲模擬。

如果要將這種模擬概念擴展到橋樑設計,工程師還需要針對可變的重量分佈、強風、地震和其他情況對其進行優化。這些模擬可用於確保基礎,類似起重機的結構和電纜都能夠承受在野外所承受的力。

結果,工程師可以找到設計的致命弱點,並集中精力進行優化,直到他們確定結構可以在現實世界中生存下來。通常,此優化將包括更改懸浮物體和弦的幾何形狀、橫截面、材質和位置。


(資料來源:https://www.ansys.com/blog/design-floating-structures-tensegrity

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