[논문 리뷰] Design and analysis of deployable clustered tensegrity cable domes

Shuo Ma, Muhao Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 15.

Structural Analysis and Optimization참고 문헌 29인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 군집 텐스그리티 구조(CTS)를 기반으로 한 전개 가능한 케이블 돔 설계를 제안한다. 기존의 레비 케이블 돔을 전개 가능한 시스템으로 전환하기 위해 예비응력 모드 기반의 스트링 군집화와 가변 전개 비율을 적용한다. 결과적으로 CTS 돔은 전개 전 과정에서 정확히 하나의 예비응력 모드와 전역 안정성을 유지하며, 동적 시뮬레이션을 통해 고속 구동 조건에서 준정적 가정과 상당한 이격이 발생하는 것으로 나타났다. 이는 정확한 분석을 위해 동적 모델링이 필요함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 군집 텐스그리티 구조(CTS)를 활용해 전개 가능하고 안정성이 향상된 케이블 돔을 개발하기 위해.
• 전체 전개 궤적 동안 전역 안정성과 정확히 하나의 예비응력 모드를 확보하기 위해.
• 다양한 구동 속도 조건에서 CTS 돔의 동적 거동을 분석하고, 준정적 가정과의 대비를 통해 분석하기 위해.
• 다양한 CTS 기반 전개 가능한 구조에 적용 가능한 일반화된 설계 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 구조적 거동을 모델링하기 위해 군집 텐스그리티 구조(CTS)의 정적 및 동적 방정식을 수립하기 위해.
• 예비응력 모드와 전역 안정성 요구사항을 기반으로 스트링 군집화를 위한 요소를 식별함으로써 기존 레비 케이블 돔을 수정하기 위해.
• 내부 링과 외부 링 반지름 비율 조절을 통해 전개 궤적을 정의하여 제어 가능한 전개를 가능하게 하기 위해.
• 전개 과정 중 평형 상태를 분석하기 위해 준정적 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 일시적 반응을 평가하고 준정적 결과와 비교하기 위해 동적 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 전체 전개 범위에서 분석적 및 수치적 방법을 통해 시스템의 안정성과 예비응력 모드를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 케이블 돔은 어떻게 군집 텐스그리티 구조를 활용해 전개 가능한 시스템으로 전환할 수 있는가?
• RQ2 CTS 돔의 전개 중 및 전개 완료 상태에서 정확히 하나의 예비응력 모드와 전역 안정성을 확보하기 위한 조건은 무엇인가?
• RQ3 구동 속도가 증가함에 따라 CTS 돔의 동적 반응은 준정적 예측과 어떻게 다를까?
• RQ4 군집 텐스그리티 케이블 돔에서 전개 궤적을 제어하는 데 영향을 주는 설계 매개변수들은 무엇인가?
• RQ5 제안된 방법은 다른 CTS 기반 전개 가능한 구조에 얼마나 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 CTS 케이블 돔은 전체 전개 궤적 동안 정확히 하나의 예비응력 모드를 유지하며, 이는 구조적 안정성을 보장한다.
• 정적 및 동적 분석을 통해 시스템은 전개 전 과정에서 전역 안정성을 보여준다.
• 동적 시뮬레이션 결과, 구동 속도가 증가함에 따라 준정적 예측과 상당한 이격이 발생함을 확인하였으며, 이는 빠른 전개 조건에서는 동적 효과를 간과할 수 없음을 시사한다.
• 케이블 돔의 내부 링과 외부 링 반지름 비율 조절을 통해 전개 궤적이 성공적으로 제어됨을 확인하였다.
• 개발된 방법론은 다양한 군집 텐스그리티 구조의 설계 및 분석에 일반화 가능하고 적용 가능하다.