荷载缓和体系中缓和装置及其计算理论的研究

摘要

本文主要以总结已有荷载缓和体系的研究成果为基础,结合机械学的理论,对实现荷载缓和的装置进行了创新研究,并发展了荷载缓和体系的计算方法,拓展了荷载缓和体系理论的外延.本文在综述现有荷载缓和体系的形式、理论及其计算方法的基础上,结合机械学中的经典机械模型,对荷载缓和体系的荷载缓和装置进行了创新研究;同时对荷载缓和体系的计算方法,主要是力密度法和多次加载非线性有限元法进行了研究和算例验证.主要包括的内容如下:提出了实现荷载缓和的几种装置形式:四连杆装置、螺旋压榨装置、弹簧装置、结构体装置和智能材料SMA装置等形式.并对其中的弹簧装置进行了弹簧杆结构和弹簧铰结构以及弹簧-四连杆结构的算例分析.力密度法是在离散后结构各杆件的几何拓扑、设定的力密度值和边界节点坐标基础上,建立关于节点坐标的线性方程组,然后进行迭代计算求解.算例表明该方法计算速度快,同时可以人为控制计算收敛精度,但该法对于复杂荷载缓和体系前期处理工作量仍较大.本文提出基于通用有限元程序的多次加载非线性有限元法.通过对单元参数的修改,多次分步加载并修正结构几何模型,以求得最终结构形状.本文详细阐述了弹簧这种材料特性,讲述了其在荷载缓和体系中的三种应用(弹簧杆结构、弹簧铰结构和弹簧-四连杆结构),并对其中的弹簧杆结构和弹簧-四连杆结构进行了受力及性能分析.计算结果表明:弹簧杆结构进行了向下荷载作用下各单元内力变化与刚性杆基本相同(有时还略大);在向上荷载作用时结构中虽然发生了很大的位移,但是其内力基本变化不大.因此说明弹簧杆结构在向上荷载时,具有很好的荷载缓和功能.针对弹簧杆结构内力分析的结果,本文提出弹簧杆结构应用的前提条件:当假设外荷载所对应的虚位移发生时,相应的结构应更有利于承担原来的外荷载.弹簧-四连杆结构是机械学与结构静力学的综合应用,其运动分析可以参照机械学中机构分析方法,静力分析可以采用静力平衡关系进行分析.经本文参数分析,在转角ф<,2>=130°时,结构具有较大的外荷载调节范围,相应的k取100kN/弧度.论文最后对上述研究内容及成果作了简单的总结,并展望进一步研究的方向和需要进行的工作.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2荷载缓和体系的概念及现阶段的研究

1.3荷载缓和体系的计算理论

1.4本文的主要工作

参考文献

第二章荷载缓和体系的研究

2.1荷载缓和体系的理论

2.2荷载缓和体系结构形式的创新

2.3本章小节

参考文献

第三章荷载缓和体系的计算理论

3.1概述

3.2物理模型法

3.3力密度法

3.4能量法

3.5非线性有限元法

3.6动力松弛法

3.7本章小节

参考文献

第四章荷载缓和体系中力密度法和非线性有限元法

4.1概述

4.2力密度法计算理论

4.3力密度法在荷载缓和体系中的应用

4.4荷载缓和体系中的多次加载非线性有限元法

4.5本章小节

参考文献

附录1

第五章弹簧单元在荷载缓和体系中的应用

5.1概述

5.2弹簧特性及其应用研究

5.3弹簧杆结构的分析

5.4弹簧铰结构的分析

5.5弹簧—四连杆结构的分析

5.6本章小节

参考文献

第六章论文结论及展望

6.1本文的主要结论

6.2进一步工作的展望

致谢

作者在硕士其间发表和录用的论文