[論文レビュー] Design and analysis of deployable clustered tensegrity cable domes

Shuo Ma, Muhao Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2021

Structural Analysis and Optimization参考文献 29被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、クラスターテンスグリティ構造（CTS）に基づく展開可能ケーブルドームの設計を提案する。従来のレヴィケーブルドームを、プレストレスモード駆動型のストリングクラスタリングと可変な展開比を用いて展開可能システムに変換する。結果として、CTSドームは展開全般にわたり1つのプレストレスモードとグローバルな安定性を維持しており、動的シミュレーションにより、高アクチュエータ速度では準静的仮定と顕著な乖離が生じることが判明し、正確な解析には動的モデル化が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

This study presents the design and analysis of deployable cable domes based on the clustered tensegrity structures (CTS). In this paper, the statics and dynamics equations of the CTS are first given. Using a traditional Levy cable dome as an example, we show the approach to modify the Levy dome to a deployable CTS one. The strings to be clustered are determined by the requirement of prestress mode and global stability. The deployment trajectory is proposed by changing the deployment ratio (the ratio between the radius of the inner and outer rings of the cable dome). Then, the quasi-static and dynamic deployment of clustered tensegrity dome is studied. Results show that the proposed CTS cable dome always has one prestress mode and is globally stable in its deployment trajectory. In the deployment process analysis, the dynamics show that the system's dynamic response differs from the quasi-static simulation as the actuation speed increases. That is, for a fast deployment process, quasi-static simulation is not accurate enough. The dynamics effects of the deployment must be considered. The developed approaches can also be used for the design and analysis of various kinds of CTS.

研究の動機と目的

• クラスターテンスグリティ構造（CTS）を用いた展開可能ケーブルドームの開発を通じて、展開性と安定性の向上を図ること。
• 展開全行程にわたりグローバルな安定性と1つのプレストレスモードを確保すること。
• 異なるアクチュエータ速度下でのCTSドームの動的挙動を分析し、準静的仮定と対比すること。
• さまざまなCTSベースの展開可能構造に適用可能な汎用的な設計フレームワークを確立すること。

提案手法

• 構造的挙動をモデル化するため、クラスターテンスグリティ構造（CTS）の静力学および動力学方程式を定式化する。
• プレストレスモードとグローバルな安定性要件に基づき、ストリングのクラスタリングに適した部分を同定することで、従来のレヴィケーブルドームを変更する。
• 内輪と外輪の半径比の調整により展開経路を定義し、制御された展開を可能にする。
• 展開中の平衡状態を分析するため、準静的シミュレーションを実施する。
• 過渡応答を評価し、準静的結果と比較するため、動的シミュレーションを実施する。
• 静的および動的解析を通じて、全展開範囲にわたりシステムの安定性とプレストレスモードを解析的および数値的手法で検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のケーブルドームは、クラスターテンスグリティ構造を用いてどのように展開可能システムに変換できるか？
• RQ2 CTSドームの展開中および展開完了状態において、1つのプレストレスモードとグローバルな安定性を保証する条件は何か？
• RQ3 アクチュエータ速度が上昇する際、CTSドームの動的応答は準静的予測とどのように異なるか？
• RQ4 クラスターテンスグリティケーブルドームにおける展開経路を規定する設計パラメータは何か？
• RQ5 提案手法は、他のCTSベースの展開可能構造へどの程度一般化可能か？

主な発見

• 提案されたCTSケーブルドームは、展開全行程にわたり正確に1つのプレストレスモードを維持しており、構造的安定性が保証されている。
• 静的および動的解析により、展開全般にわたりグローバルな安定性が確認された。
• 動的シミュレーションにより、アクチュエータ速度が上昇する際、準静的予測とは顕著に乖離する応答が生じることが示され、高速展開では動的効果を無視できないことが判明した。
• ケーブルドームの内輪と外輪の半径比の調整により、展開経路が成功裏に制御された。
• 開発された手法は汎用的であり、さまざまなクラスターテンスグリティ構造の設計および解析に応用可能である。