检索结果-内蒙古大学图书馆

力学学报 2022年第9期54卷 2552-2566页

作者：袁婷婷任昆明方雨桥刘锦阳上海交通大学工程力学系水动力学教育部重点实验室上海200240

折纸结构因其大收纳比、高可控性、可重构、制造装配简单以及设计多样等优势,在航天、生物医学、建筑、机器人、材料科学等工程领域有着广阔的应用前景.随着折纸结构的工程应用越来越广泛,针对低刚度折纸结构的动力学研究愈加重要.本文... 详细信息

折纸结构因其大收纳比、高可控性、可重构、制造装配简单以及设计多样等优势,在航天、生物医学、建筑、机器人、材料科学等工程领域有着广阔的应用前景.随着折纸结构的工程应用越来越广泛,针对低刚度折纸结构的动力学研究愈加重要.本文将非刚性折纸结构等效为带卷簧的空间桁架结构,建立了一种通用的杆–链动力学模型.考虑材料的几何非线性,采用基于Ogden超弹性本构的杆单元来模拟折痕和虚拟折痕,可适用于作大范围运动并具有大变形的折纸结构.引入非线性卷簧来体现折痕的抗弯作用,相较于传统的卷簧本构模型,本文提出的改进的非线性卷簧本构模型具有更强的通用性和鲁棒性,能够有效避免接触碰撞动力学中折叠面的穿透.基于虚功原理,建立了考虑阻尼效应的非刚性折纸多体系统的动力学方程,并采用变步长的广义-α法求解.最后,对三种经典折叠形式的非刚性折纸结构进行动力学仿真,验证了本文提出的杆–链动力学模型的准确性和高效性.通过施加虚拟折痕和修正初始构型,有效解决了刚性折纸模型中展开和收拢过程的锁定问题.与刚性折纸模型相比,杆–链动力学模型具有更好的数值模拟通用性,并能够给出具有大变形张紧构型.在此基础上,揭示了非刚性折纸结构复杂的动力学行为,并对多稳态、瞬态动力学和波动力学特性进行分析.

关键词：非刚性折纸结构动力学建模非线性本构模型大变形多稳态

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非刚性多稳态折纸结构构型设计及折展性能研究

非刚性多稳态折纸结构构型设计及折展性能研究

引用

作者：徐锐之东南大学

学位级别：硕士

多稳态折纸结构具有可折展性与多稳态特性,充分满足机器人、航空航天、医疗器械、工程结构等领域对多稳态系统的新发展需求。相较于刚性折纸,非刚性折纸结构具有更多自由度,可展现出更丰富的多稳态性能。然而,非刚性折纸结构存在多自由... 详细信息

多稳态折纸结构具有可折展性与多稳态特性,充分满足机器人、航空航天、医疗器械、工程结构等领域对多稳态系统的新发展需求。相较于刚性折纸,非刚性折纸结构具有更多自由度,可展现出更丰富的多稳态性能。然而,非刚性折纸结构存在多自由度耦合、多折展路径等分析难点,且部分折纸结构局部缺陷影响机制尚不明确,阻碍了相关工程应用的推进。因此,如何完善非刚性折纸结构折展性能分析方法、揭示非刚性折纸结构的多稳态特性与缺陷响应、提出面向工程实践需求的新型非刚性多稳态折纸结构,是推进非刚性折纸结构工程应用的重要理论基础与关键。本文聚焦于非刚性折纸结构折展性能研究与构型设计问题,基于能量原理与等效杆-铰链模型,综合采用群论、对称破缺、几何拓扑等方法,完善了非刚性折纸结构折展分析方法,系统研究了对称非刚性折纸结构分岔特性,揭示了非刚性折纸结构多稳态特性及缺陷响应,并提出了一系列形态可调、性能可控的新型非刚性折纸拓扑结构,为推进非刚性多稳态折纸结构更广泛的工程应用发挥积极作用。具体研究内容包括: 针对传统方法难以高效求解非刚性折纸结构折展路径的问题,基于能量原理和等效杆-铰链模型,建立非刚性折纸结构折展过程的势能变化曲面,提出通过曲面中极小值点连线求解折纸结构折展路径的图解法,并以此阐述非刚性折纸结构折展性能及稳态特性。采用该图解法求解了锥形Kresling折纸结构的折展路径及多稳态性能,揭示了初始构型对折展性能的影响机制。结果表明,锥形Kresling折纸结构的折叠程度取决于上下底面的相对旋转角,且其双稳态性能与初始构型密切相关。针对非刚性对称折纸结构多折展路径难以全面分析的问题,采用群论与对称破缺方法,提出一种基于分岔路径的对称折纸结构多稳态研究策略。该策略不仅可全面揭示对称结构的运动分岔与多稳态特性,还可有效避免出现运动奇异点,显著提高多折展路径的分析效率。采用该策略研究了四边形与六边形同心褶皱折纸结构的多分岔路径及多稳态特性。结果表明,不同多边形同心褶皱折纸结构的分岔路径与稳态个数存在差异,对于折痕图案相同但对称阶次不同的稳态而言,对称阶次较高的稳态更稳定。考虑工程实践中折纸结构局部缺陷不可避免,基于等效杆-铰链模型,引入几何与材料缺陷,采用节点坐标误差表示几何缺陷,而采用等效杆件线刚度误差与等效铰链旋转刚度误差表示材料缺陷。从节点、折痕及面板层次分别研究了局部缺陷对锥形Kresling折纸结构与六边形同心褶皱折纸结构折展性能的影响,并基于缺陷响应设计了具有更多稳态的衍生结构。结果表明,同缺陷率下,几何缺陷响应较材料缺陷响应更显著,且当缺陷响应累积到一定量时,折纸结构折展性能将发生质变。面向光伏工程、建筑围护结构等实际应用需求,基于几何拓扑概念与公共折痕的位移协调条件,采用枚举法,从线性、平面及空间三个维度评估了锥形Kresling折纸结构与多边形同心褶皱折纸结构几何拓扑的可行性,并设计了系列形态可调、性能可控的多稳态折纸拓扑结构。进一步分析表明,折纸拓扑结构可基于拓扑形式选择性地体现基本单元特性,且可行拓扑构型随着拓扑维度的增加而减少。该几何拓扑方法可为工程应用的特定需求提供设计灵感,并推进非刚性多稳态折纸结构的工程应用。

关键词：非刚性折纸结构多稳态等效杆-铰链模型对称破缺缺陷响应几何拓扑

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