[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出一种基于簇集屈曲结构（CTS）的可展开缆索穹顶设计，通过预应力模式驱动的绳索簇集与可变展开比率，将传统Levy缆索穹顶转化为可展开系统。结果表明，CTS穹顶在整个展开过程中保持单一预应力模式与全局稳定性，动态仿真显示在高驱动速度下显著偏离准静态假设，因此需要采用动力学建模以实现精确分析。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于簇集屈曲结构（CTS）的可展开缆索穹顶，以提升可展开性与稳定性。
• 确保在整个展开轨迹中保持全局稳定性和单一预应力模式。
• 分析CTS穹顶在不同驱动速度下的动力学行为，并与准静态假设进行对比。
• 建立一种可推广的设计框架，适用于各种基于CTS的可展开结构。

提出的方法

• 建立簇集屈曲结构（CTS）的静力学与动力学方程，以模拟结构行为。
• 通过识别基于预应力模式与全局稳定性要求的绳索簇集，对传统Levy缆索穹顶进行改造。
• 通过调节内环与外环半径比来定义展开轨迹，实现可控展开。
• 进行准静态仿真，分析展开过程中的平衡状态。
• 进行动态仿真，评估瞬态响应，并与准静态结果进行比较。
• 通过解析与数值方法在整个展开范围内验证系统的稳定性与预应力模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用簇集屈曲结构将传统缆索穹顶转化为可展开系统？
• RQ2 在CTS穹顶的展开与展开状态中，满足单一预应力模式与全局稳定性的条件是什么？
• RQ3 随着驱动速度增加，CTS穹顶的动力响应与准静态预测有何差异？
• RQ4 哪些设计参数控制簇集屈曲索穹顶的展开轨迹？
• RQ5 所提出方法在多大程度上可推广至其他基于CTS的可展开结构？

主要发现

• 所提出的CTS缆索穹顶在其整个展开轨迹中保持精确的单一预应力模式，确保结构稳定性。
• 系统在整个展开过程中表现出全局稳定性，经静态与动态分析验证。
• 动态仿真显示，当驱动速度增加时，响应显著偏离准静态预测，表明在快速展开中不可忽略动力效应。
• 通过调节缆索穹顶内环与外环半径比，成功控制了展开轨迹。
• 所开发的方法论具有通用性，适用于各类簇集屈曲结构的设计与分析。