[發明專利]索網結構在非線性有限元分析中初始張力狀態的構造方法

有效

• 申請號: 202011084787.6
• 申請日: 2020-10-12
• 公開（公告）號: CN112149265B
• 公開（公告）日: 2022-11-01
• 發明（設計）人: 王威;吳松;唐國安;張美艷
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G06F30/18
• 分類號: G06F30/18;G06F30/23;G06F17/16;G06F119/14
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 徐雯瓊;張妍

本發明公開了一種索網結構在非線性有限元分析中初始張力狀態的構造方法，包括如下步驟：S1，選擇索網與支撐結構的參數，在有限元仿真軟件中模型創建；S2，根據給定的預張力建立索單元的初應力剛度矩陣，將此初應力剛度矩陣以三個單向彈簧等效，并參照格式要求迭加到索網結構的有限元模型中；S3，利用線性方法計算溫度對張力的影響矩陣；S4，計算在給定的預張力下，以降溫法模擬索網軸向張力時索網的單元溫度，并將溫度值作為已知單元溫度條件完成預張力構造。

技術領域

本發明涉及索網結構有限元計算仿真時預應力構造及其應用技術領域，特別涉及一種索網結構在非線性有限元分析中初始張力狀態的構造方法。

背景技術

索網結構是張力結構體系的一個重要組成部分，其具有質量輕、強度高、收縮比大、成形多樣等顯著優點，可被應用于太空可展開天線等領域。初始張力是索網結構成型的必要條件和提高其曲面穩定性的重要參數。在結構負荷工作階段，無論其靜力行為還是動力行為均體現出較高的非線性特性，然而由于航天發展所需天線趨于大型化，結構全尺寸地面試驗難以開展，所以在設計階段有限元數值分析顯示出了巨大優勢。

有限元分析時，預張力的構造方法有等效荷載法、降溫法、初始應變法等。而對于復雜的索網結構，等效載荷法并不適用；初應變法與降溫法本質相同，都是通過改變索網的單元原長度來構造預張力。根據是否進行迭代，確定降溫量(或初應變)的方法可分為迭代修正法和直接法兩種。迭代修正法先取一個降溫量(或初應變)計算索單元的預張力，根據結果與設計值的差異修正降溫量(或初應變)，然后再重新計算、直至迭代收斂。在現階段，這是一種常用的計算方法，但需要迭代計算，會導致效率降低。直接法不需要迭代、效率高，但應用于復雜的非線性結構時精度并不高。

因此需要一種能在利用有限元數值方法分析時，能綜合考慮索網的幾何非線性、剛度矩陣奇異性、框架的變形、預張力施加精度和計算效率等因素的初始張力狀態的構造方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種索網結構在非線性有限元分析中初始張力狀態的構造方法，綜合了迭代修正法和直接法的優勢，計算過程簡便，可操作性強，能保證計算精度，提高了效率，對應用于衛星可展開天線在內的復雜、多層、具有彈性約束的索網結構，沒有構型限制，且可進一步開展非線性固有頻率和響應的計算。

為了實現以上目的，本發明是通過以下技術方案實現的：

一種索網結構在非線性有限元分析中初始張力狀態的構造方法，其特點是，包括如下步驟：

S1，選擇索網與支撐結構的參數，在有限元仿真軟件中創建模型；

S2，根據給定的預張力建立索單元的初應力剛度矩陣，將此初應力剛度矩陣以三個單向彈簧等效，并參照格式要求迭加到索網結構的有限元模型中；

S3，利用線性方法計算溫度對張力的影響矩陣；

S4，計算在給定的預張力下，以降溫法模擬索網軸向張力時索網的單元溫度，并將溫度值作為已知單元溫度條件完成預張力構造。

所述的步驟S2包括：

根據給定的預張力N建立每一個索單元的初應力剛度矩陣，將以三個單向彈簧等效，并參照格式要求迭加到索網結構的有限元模型中。

所述的步驟S3包括：

假設索單元的序號是1～n_c，在索單元j上施加單位負溫度，計算出每一個索單元i＝1,…,n_c的張力，取其相反數記為c_ij(i＝1,…,n_c)，當編號j從1到n_c遍歷全部索單元后，就得到了以c_ij為元素、溫度對張力的影響矩陣C。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：