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基于蜻蜓翅膀仿生的褶皱肋环型薄壳结构研究

伍文宇  
【摘要】:结构仿生作为建筑仿生的重要分支,它是将自然界经亿万年进化而来的优化生物体内部结构特性应用于建筑结构设计中的前沿学科。目前,国内外对蜻蜓翅膀的研究表明,蜻蜓翅膀的褶皱截面能大幅度增强蜻蜓翅膀刚度,翅膜与翅脉共同工作,使蜻蜓翅膀更有效承受飞行过程中所受的各种作用。本文将蜻蜓翅膀结构仿生原理应用于肋环型网壳结构中,并对其进行研究。 本文以钢网格模拟翅脉,复合材料板模拟翅膜,形成薄壳与钢网架共同作用的结构体系。利用Ansys11.0软件对该结构体系研究,采用8节点等参数壳单元shell93模拟复合材料壳体和3节点等参数梁单元beam189模拟杆件,以满足壳体和周边网格间的变形协调性。在不同壳体材料、壳体厚度、矢跨比、褶皱程度情况下,并考虑壳体变形的几何非线性,对肋环型网壳结构的竖向位移进行分析对比。研究表明,有壳的肋环型网壳整体刚度比无壳的肋环型网壳整体刚度大。在几种复合材料中,碳纤维/环氧树脂壳体对结构刚度贡献最大;壳体厚度影响应力刚化效应,在一定厚度范围内,应力刚化效应增强幅度随壳体厚度减少而增加,当厚度超出该范围时,应力刚化效应增强幅度随壳体厚度减小而减小;对于不同矢跨比的网壳结构,矢跨比增大,则结构刚度增大,但材料用量增加,壳体应力刚化效应减弱。综合考虑拱作用、材料用量以及应力刚化效应选出合理的矢跨比;蜻蜓翅膀的褶皱结构能提高翅膀刚度,使蜻蜓翅膀能抵御飞行过程中的复杂作用。网壳不同褶皱程度的肋环型网壳结构的分析表明,调整褶皱程度能减小顶点竖向位移,使各节点位移趋于均匀,并有所减少,这说明褶皱后的肋环型网壳结构在一定程度上比褶皱前刚度增强。但当褶皱程度过大时,肋环型网壳结构顶点出现竖直向上位移,节点间的相对位移增加,对节点不利。最后,基于上述分析构思新型褶皱肋环型薄壳结构,研究表明,该结构能合理的发挥蜻蜓翅膀的褶皱作用以及翅膜翅脉共同工作的原理,且结构轻盈。


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