浅谈新型空间悬挑结构仿生（蜻蜓翅膀）设计研究

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1、浙江大学硕士学位论文新型空间悬挑结构仿生（蜻蜓翅膀）设计研究姓名：张戈申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：李忠学20070501浙江大学硕士学位论文2007摘要建筑结构仿生可归纳为两种类型：一类是“技术推进型”，即从研究生物出发，系统研究一种或多种生物的结构特征，然后将有价值的生物结构形式应用到建筑结构上去；另一类为“需求推进型”，在建筑结构(构件)设计中碰到难题后，转向生物界寻找灵感和启发，在对生物各类结构形式的甄别、分析和组合后加以模仿，从而设计出最优的建筑结构方案。本文基于第一类基本思路，重点研究蜻蜒翅膀的结构特征，然后在此基础上进行空间悬挑结构的仿生设计。首先，通过实验观测

2、及相关文献所提供的模型数据，利用通用有限元软件ANSYS建立了蜻蜓后翅的数值模型。为了达到翅膜与翅脉的变形的协调，采用三节点梁单元beaml89来模拟翅脉和八节点等参曲壳单元s1"1193来模拟翅膜．由于蜻蜒翅膀结构的复杂性，本文分别建立了平面结构模型和“起皱起拱”的三维结构模型。蜻蜒后翅的平面结构模型分析得到：蜻蜒翅膀主脉承担主要轴力和弯矩，从脉几乎不承担或承担很小的轴力和弯矩，但是从脉在结构的整体刚度和稳定性方面起着重要作用。“起拱起皱”的三维结构模型分析得到：翅膀前缘的“起皱”和翅弦方向的“起拱”显著提高了结构的抗弯刚度；管径较粗的主脉承担较大的轴力，而弯矩值很小。对比三维模型与平

3、面模型的轴力图发现，三维模型的结构传力更清晰流畅简捷合理，其轴力较少发生突变．这证明了蜻蜒翅膀结构的天然合理性。本文还分析了翅膜中的预应力对于翅膀结构刚度的影响，分析得出翅膜中的预应力能显著提高结构的平面外刚度。通过对翅膀“起皱”结构扭转刚度的理论推导得到：对于类似蜻蜒翅膀的薄壁“起皱”结构，翘曲刚度在整个结构的扭转刚度中起主导作用。蜻蜒翅膀前缘的“起皱”结构不仅显著提高了结构的抗弯刚度，也大大提高了翅膀的翘曲刚度。基于根据蜻蜒翅膀的网格特征，本文构建了七种不同网格的空间悬挑结构。每种网格结构都分无壳起拱、有壳起拱、无壳起皱，有壳起皱四类情况。对于起皱网格结构，无论有无壳，交错四边形网格

4、结构的刚度均要小于非交错四边形网格结构的刚度；而对于有壳起拱的网格结构，交错四边网格结构的刚度要大．对于无壳起拱结构，情况较复杂，需得根据起拱的高度来判断两者的优劣。分析还得出．在相同材料下，悬挑结构的横向网格密度越大，结构的刚度也就越大。基于蜻蜒翅膀结构的分析结果，本文设计了四类结构新型，形态活泼的仿生空间悬挑结构。通过线性、几何非线性的计算，发现四类仿生结构均获得了良好的力学性能。文中还模仿蜻蜒翅痣的作用，在仿生悬挑结构的自由端施加重物块，结论是用弹簧悬挂重物块于结构上能起到很好地“减振”作用。关键词：蜻蜒翅膀网状翅脉结构仿生翅痣悬臂结构非线性有限元渐江大学硕士学位论文2007Abs

5、tractTl"bionicdesignofarchitectcralconsU'uftionc越becatcgori2edintotwolyp格：Oneisatechnique·push呐inwhichonekindorseveralkindsofbiologicstmcttwearestudiedfirstly,andthenthevaluableonesareextendedintoarchitectmes；theotherisademand-pushtype，inwhichengineersturntobiologic$UucUlresforinspirationandillum

6、inationwhenencounteringdifficultiesindesigningarchitecturalconsm】ction(component)．Theoptimizedarchitecturalconstructioncanbedesignedfromdiscrimination,analysis,combinationand向叭h盯simulationofsomekindsofbiologicalslnK：tI麟．Thispaperbelongstofirsttype．Thestrec=tIltreofdragonflywingsisstudiedintheroun

7、d觚ly’andthebionicdesignofspatialcantileverstructureisdoneaccordingtothestructmecha“K：terofdragonflywings．Basedonthemodeldatawhichamgetfromexperimentobservationandcorrelatedfiteratures，thenumericalmodelofdragonfly’shind