使用機械運動模擬模型動態(tài)模擬張拉結(jié)構(gòu)施工的方法

專利名稱：使用機械運動模擬模型動態(tài)模擬張拉結(jié)構(gòu)施工的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用機械運動模擬模型動態(tài)模擬張拉結(jié)構(gòu)的施工過程的方法。
背景技術(shù)：
土木建筑這個古老的行業(yè)在近代隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展而日新月異，新技 術(shù)，新方法，新建筑形式不斷涌現(xiàn)。土建工程建設(shè)一般分為設(shè)計和施工兩大部分，對于傳統(tǒng) 的土建設(shè)計，因為人們積累的施工經(jīng)驗很豐富，不需要計算機施工模擬技術(shù)，工程施工也能 順利完成。而對于近30年發(fā)展起來的很多新型建筑形式，即包括懸索結(jié)構(gòu)，張拉膜結(jié)構(gòu)，可 展開折疊結(jié)構(gòu)，張拉整體結(jié)構(gòu)，索穹頂結(jié)構(gòu)，張弦結(jié)構(gòu)等的大變形大跨度張拉空間結(jié)構(gòu)，人 們的認識還很不完善。張拉結(jié)構(gòu)的共同特點是1)必須考慮結(jié)構(gòu)的形狀隨荷載變化而產(chǎn)生的改變，按變形后的位置來建立平衡條 件，這就屬于固體力學(xué)中的幾何非線性問題。2)結(jié)構(gòu)在沒有施加預(yù)應(yīng)力以前沒有剛度，其形狀是不確取定的。必須通過施加適 當(dāng)預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)具有一定的形狀，才能成為承受外荷載的結(jié)構(gòu)。3)施工的過程就是施加預(yù)應(yīng)力以形成結(jié)構(gòu)剛度的過程，是從柔軟的且形狀不定的 狀態(tài)轉(zhuǎn)化為牢固穩(wěn)定狀態(tài)的過程。結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互牽扯整體位置改變可達幾十米，同時構(gòu)件 之間相互位置改變也可達到十幾米。4)構(gòu)件之間多為可旋轉(zhuǎn)鉸鏈接，因此施工過程類似于整個結(jié)構(gòu)體系從初始位置到 設(shè)計位置的機械運動過程。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)與張拉結(jié)構(gòu)的區(qū)別1)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的形狀隨荷載變化而產(chǎn)生的改變較小，一般可按線性問題考慮。2)結(jié)構(gòu)中一般不加預(yù)應(yīng)力，即便有少量構(gòu)件施加了預(yù)應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)的整體形狀也 不會產(chǎn)生很大影響。3)結(jié)構(gòu)施工過程可以看成剛性構(gòu)件不斷累加的過程，構(gòu)件之間的位置一般是不會 有很大變化。4)構(gòu)件之間多為不能移動和轉(zhuǎn)動的剛性連接，因此施工過程類似于一個搭積木的 過程，不會存在大量構(gòu)件整體機械運動的現(xiàn)象。由以上可以認識到，張拉結(jié)構(gòu)往往都是柔性體系-在結(jié)構(gòu)成型之前構(gòu)件體系形態(tài) 不固定，而且跨度大，施工步驟復(fù)雜。不夸張地說，施工過程的計算分析的工作量甚至超過 設(shè)計分析的工作量。這就使得施工模擬技術(shù)成為新型建筑形式能否順利實現(xiàn)的瓶頸技術(shù)。現(xiàn)有的施工模擬技術(shù)包括傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)施工模擬技術(shù)以及大跨度張拉空間結(jié)構(gòu) 施工靜態(tài)模擬技術(shù)。其中，傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)施工模擬技術(shù)基本都是采用有限元靜態(tài)分析中的單元生死技術(shù)來模擬安裝過程的。所謂靜態(tài)分 析是指結(jié)點上的未知量只有位移，而不會包括速度和加速度，即不會考慮時間因素
單元生死技術(shù)的使用一般按照如下步驟1)在前處理器中建模時，必須一次性將所有單元創(chuàng)建好。2) 一開始將所有單元殺死，然后按照施工安裝步驟逐步激活安裝構(gòu)件單元，如橋 梁施工過程3)另一種情況是單元開始都處于生的狀態(tài)，而后會經(jīng)歷部分單元的不斷殺死，同 時也伴隨部分單元被激活。如在土建基坑開挖過程中，土層不但開挖，同時又不斷加固圍 襯，防止滑坡。4)對于被殺死的單元，處理方法是將單元剛度矩陣乘以一個很小的因子，并不是 真正將其從模型中刪除。被殺死的單元載荷為零，質(zhì)量、阻尼、比熱、應(yīng)變和其他同類特性均 等于零5)當(dāng)死單元被重新激活時，其剛度、質(zhì)量、單元荷載等都將恢復(fù)其原始真實值。再 生單元應(yīng)變?yōu)榱?，如果存在初?yīng)變，則可以通過單元實常數(shù)方式輸入。6)施工模擬時需要人為劃分出若干個階段，在相鄰階段的臨界處殺死或激活某些 單元，然后通過靜力分析得到需要驗證的力學(xué)指標(biāo)，檢驗其是否滿足施工中的各項要求，如 設(shè)備承受能力，位移安全限制等。但在階段內(nèi)部則無法檢驗是否會有力學(xué)指標(biāo)突變或機構(gòu) 鎖死的現(xiàn)象。大跨度張拉空間結(jié)構(gòu)施工靜態(tài)模擬技術(shù)現(xiàn)在都是使用有限元靜態(tài)分析中的單元刪除技術(shù)。具體方法如下。1)由于在施工模擬時劃分的各個階段，結(jié)構(gòu)整體形狀和構(gòu)件相互位置變化較大， 所以不能一次性將所有單元創(chuàng)建好，必須分階段建模。2)采用逆序拆除法。由于結(jié)構(gòu)的最終形狀和預(yù)應(yīng)力分布情況在施工前已經(jīng)在設(shè) 計階段都確定了，而施工開始時的結(jié)構(gòu)的初始形狀和預(yù)應(yīng)力分布卻是任意的。所以只能從 結(jié)構(gòu)的最終形態(tài)開始將所有單元創(chuàng)建好并施加預(yù)應(yīng)力到設(shè)計值，然后分階段將部分單元刪 除，此時剩下的結(jié)構(gòu)處于不平衡狀態(tài)，通過靜力計算它會調(diào)整自己的形狀和預(yù)應(yīng)力的分布 達到一個新的平衡狀態(tài)。再以這個新的平衡態(tài)為基礎(chǔ)刪除另一部分單元，在靜力計算中尋 找新的平衡態(tài)。重復(fù)以上過程直至施工開始時的結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)。3)與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)施工模擬技術(shù)相比，單元不是殺死或激活而是真正從模型中刪 除，靜力計算分析不只是為了求出力學(xué)指標(biāo)的值，還起到了“找形”的作用一一即獲得下一 階段結(jié)構(gòu)形狀和預(yù)應(yīng)力分布的作用。4)同樣在階段內(nèi)部則無法檢驗是否會有力學(xué)指標(biāo)突變或機構(gòu)鎖死的現(xiàn)象。上述兩種施工模擬技術(shù)都不能很好地對張拉結(jié)構(gòu)進行模擬。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種使用機械運動模擬模型動態(tài)模擬張拉結(jié)構(gòu) 的施工過程的方法，包括步驟102，從所述張拉結(jié)構(gòu)的有限元模型中提取用于建立機械運 動模擬模型的數(shù)據(jù)文件；步驟104，根據(jù)所述數(shù)據(jù)文件建立所述機械運動模擬模型；步驟 106，采用機械多剛體系統(tǒng)動力分析方法，結(jié)合所述機械運動模擬模型對所述張拉結(jié)構(gòu)的施 工過程進行時域特性仿真。在上述技術(shù)方案中，所述步驟102包括提取確定所述有限元模型中的構(gòu)件的性質(zhì)、形狀、位置和連接關(guān)系的數(shù)據(jù)，并將所述數(shù)據(jù)輸入所述數(shù)據(jù)文件。在上述技術(shù)方案中，所述步驟104包括根據(jù)所述數(shù)據(jù)文件，建立表示所述構(gòu)件的 剛性體，以及建立用于連接所述構(gòu)件的連接件，由此得到所述機械運動模擬模型。在上述技術(shù)方案中，所述構(gòu)件包括索、桿、梁和膜或其任意組合，所述索包括直線 索、懸垂索、直線放長索和懸垂縮短索或其任意組合，所述桿包括定長桿和伸縮桿或其任意 組合。在上述技術(shù)方案中，在所述構(gòu)件為所述直線索時，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的 過程包括在所述構(gòu)件為所述直線索時，建立第1剛性圓柱體、第2剛性圓柱體和第1軸套 以表示所述直線索，所述第1剛性圓柱體和所述第2剛性圓柱體在一條直線上，所述第1剛 性圓柱體的第一端對應(yīng)所述直線索的起點位置，所述第2剛性圓柱體的第二端對應(yīng)所述直 線索的終點位置，所述第1剛性圓柱體的第二端和所述第2剛性圓柱體的第一端通過所述 第1軸套連接，在所述第1軸套上設(shè)置所述直線索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第1剛性圓柱體、 所述第2剛性圓柱體和所述第1軸套的長度之和等于所述直線索的長度；在所述構(gòu)件為所 述懸垂索時，建立第3剛性圓柱體、第4剛性圓柱體和第2軸套以表示所述懸垂索，所述第3 剛性圓柱體的第一端和第二端分別對應(yīng)所述懸垂索的起點位置的中點位置，所述第4剛性 圓柱體的第一端和第二端分別對應(yīng)所述懸垂索的終點位置和中點位置，所述第3剛性圓柱 體的第二端和所述第4剛性圓柱體的第二端通過所述第2軸套連接，在所述第2軸套上設(shè) 置所述懸垂索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第3剛性圓柱體和所述第4剛性圓柱體的長度之和等 于所述懸垂索的長度；在所述構(gòu)件為所述直線放長索時，建立第5剛性圓柱體、第6剛性圓 柱體、第7剛性圓柱體、第3軸套和第1直線移動副以表示所述直線放長索，所述第5剛性 圓柱體、所述第6剛性圓柱體和所述第7剛性圓柱體在同一條直線上，所述第5剛性圓柱體 的第一端對應(yīng)所述直線放長索的起點位置，所述第7剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述直線放 長索的終點位置，所述第5剛性圓柱體冉第二端和所述第6剛性圓柱體的第一端通過所述 第3軸套連接，在所述第3軸套上設(shè)置所述直線放長索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第6剛性圓柱 體的第二端和所述第7剛性圓柱體的第二端由所述第1直線移動副連接，在所述第1直線 移動副上設(shè)置第1千斤頂?shù)囊苿铀俣龋龅?剛性圓柱體、第6剛性圓柱體、所述第7剛 性圓柱體和所述第3軸套的長度之和為所述直線放長索的長度；在所述構(gòu)件為所述懸垂縮 短索時，建立第8剛性圓柱體、第9剛性圓柱體、第10剛性圓柱體、第4軸套和第2直線移 動副以表示所述懸垂縮短索，所述第8剛性圓柱體的第一端和第二端分別對應(yīng)所述懸垂縮 短索的起點位置和中點位置，所述第9剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述懸垂縮短索的中點位 置，所述第10剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述懸垂縮短索的終點位置，所述第8剛性圓柱體 的第二端和所述第9剛性圓柱體的第一端通過所述第4軸套連接，在所述第4軸套上設(shè)置 所述懸垂縮短索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第9剛性圓柱體的第二端和所述第10剛性圓柱體的 第二端通過所述第2直線移動副連接，在所述第2直線移動副上設(shè)置第2千斤頂?shù)囊苿铀?度，所述第8剛性圓柱體、所述第9剛性圓柱體和所述第10剛性圓柱體的長度之和為所述 懸垂縮短索的長度。在上述技術(shù)方案中，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程還包括在所述第1直線 移動副上建立第1傳感器，所述第1傳感器用于根據(jù)所述第1千斤頂?shù)奈恢?，自動啟動或?止所述第1千斤頂；在所述第2直線移動副上建立第2傳感器，所述第2傳感器用于根據(jù)所述第2千斤頂?shù)奈恢茫詣訂踊蛲Ｖ顾龅?千斤頂。在上述技術(shù)方案中，在所述構(gòu)件為所述桿時，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程 包括在所述構(gòu)件為所述定長桿時，建立第11剛性體以表示所述定長桿，所述第11剛性圓 柱體的第一端和第二端分別對應(yīng)所述定長桿的起點位置和終點位置；在所述構(gòu)件為所述伸 縮桿時，建立第12剛性圓柱體、第13剛性圓柱體和第3直線移動副以表示所述伸縮桿，所 述第12剛性圓柱體和所述第13剛性圓柱體在同一條直線上，所述第12剛性圓柱體的第一 端對應(yīng)所述伸縮桿的起點位置，所述第13剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述伸縮桿的終點位 置，所述第12剛性圓柱體的第二端和所述第13剛性圓柱體的第二端通過所述第3直線移 動副連接，在所述第3直線移動副上設(shè)置第3千斤頂?shù)囊苿铀俣取Ｔ谏鲜黾夹g(shù)方案中，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程還包括在所述第3直線 移動副上建立第3傳感器，所述第3傳感器用于根據(jù)所述第3千斤頂?shù)奈恢?，自動啟動或?止所述第3千斤頂。在上述技術(shù)方案中，在所述構(gòu)件為所述梁時，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程 包括建立多個等長的剛性短圓柱體和無質(zhì)量梁以表示所述梁，所述多個等長的剛性短圓 柱體在同一條直線上，所述剛性短圓柱體的第一個的第一端對應(yīng)所述梁的起點位置，所述 剛性短圓柱體的最后一個的第二端對應(yīng)所述梁的終點位置，在相鄰兩個所述剛性短圓柱體 之間建立所述無質(zhì)量梁，并在所述無質(zhì)量梁上設(shè)置慣性矩、彈性模量、剪切模量、截面積和 計算長度。在上述技術(shù)方案中，在所述構(gòu)件為所述膜時，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程包 括建立多個剛性三角板的組合以表示所述膜的形狀，在所述多個剛性三角板的頂點之間的 交點處建立第1實心球體，每一個所述交點處的所述第1實心球體和所述頂點由第5軸套連 接，并在所述第5軸套上設(shè)置所述膜的剛性系數(shù)、扭轉(zhuǎn)剛度和經(jīng)緯兩個方向的預(yù)應(yīng)力。在上述技術(shù)方案中，建立用于連接所述構(gòu)件的連接件的過程包括在所述機械運 動模擬模型中，確定不包括所述膜的所述構(gòu)件的交點的對應(yīng)位置，在所述對應(yīng)位置上建立 第2實心球體，每一個所述對應(yīng)位置上的所述第2實心球體與剛性體由鉸連接或固接連接， 在所述第2實心球體上施加集中力。在上述技術(shù)方案中，所述步驟106包括通過所述時域特性仿真，獲取所需信息， 以即時表示所述張拉結(jié)構(gòu)的形狀變化和預(yù)應(yīng)力分布。在上述技術(shù)方案中，所述所需信息包括所需時間點上所述構(gòu)件靜力平衡的內(nèi)力 值，和所需時間段上所述構(gòu)件的位置、速度和所述內(nèi)力值隨時間變化的曲線。在上述技術(shù)方案中，所述步驟106還包括更新必要數(shù)據(jù)以更新所述數(shù)據(jù)文件，并 返回步驟102，其中，所述必要數(shù)據(jù)包括所述第1和2實心球體的位置，所述第1、2、3、4、5、 6、7、8、9、10、11、12和13剛性圓柱體的長度，所述第1、2、3和4軸套的預(yù)應(yīng)力，所述第1、2 和3千斤頂?shù)囊苿铀俣?，所述?、2和3傳感器的重新設(shè)置，所述剛性短圓柱體的長度，所 述無質(zhì)量梁上的所述計算長度，以及所述經(jīng)緯兩個方向的預(yù)應(yīng)力。通過上述技術(shù)方案，可以良好地實現(xiàn)對大變形大跨度張拉結(jié)構(gòu)的施工模擬。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的使用機械運動模擬模型動態(tài)模擬張拉結(jié)構(gòu)的施工過程的方
8法的流程圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的功能模塊工作流程的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的功能模塊工作流程的示意圖；圖4A-4G是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的各功能模塊內(nèi)部用例的示意圖；圖5A-5I是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的各功能模塊的內(nèi)部工作流程的示意圖；圖6A-6F是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的程序操作界面的示意圖。
具體實施例方式下面將詳細參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例，根據(jù)附圖來描述優(yōu)選實施例的示例。名詞解釋1.懸索結(jié)構(gòu)是以一系列受拉的索作為主要受力構(gòu)件，并將其按一定規(guī)律排列組 成各種形式的體系后，懸掛到相應(yīng)的支承結(jié)構(gòu)上。懸索結(jié)構(gòu)通過索的軸向拉伸來抵抗外荷 載作用，它可以充分地利用材料的強度，大大減輕結(jié)構(gòu)自重，使得其在保證經(jīng)濟性的情況下 能夠跨越較大的跨度。2.張拉膜結(jié)構(gòu)是通過給高強度薄膜材料直接施加預(yù)應(yīng)力使之具有剛度并承擔(dān) 外荷載的結(jié)構(gòu)形式，索和其他支承結(jié)構(gòu)成為支承膜材并為其施加預(yù)應(yīng)力的構(gòu)件而共同作用。3.可展開折疊結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)在未使用時可收縮折疊成捆狀或其他形狀儲存或運輸， 使用時可方便地在現(xiàn)場展開成型，迅速構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)。4.張拉整體結(jié)構(gòu)就是一組不連續(xù)的壓桿與一組連續(xù)的受拉索組成的自支承、自 應(yīng)力平衡的空間體系。這種結(jié)構(gòu)體系的剛度由受拉索和受壓桿之間的平衡預(yù)應(yīng)力提供，在 施加預(yù)應(yīng)力之前，結(jié)構(gòu)幾乎沒有剛度，并且初始預(yù)應(yīng)力的值對結(jié)構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)的剛度的 大小起著決定作用。5.索穹頂結(jié)構(gòu)支承在圓形剛性周邊構(gòu)件上的預(yù)應(yīng)力拉索_壓桿體系，索沿環(huán)向 和徑向布置，并用膜材作屋頂。6.張弦結(jié)構(gòu)是一種由剛性構(gòu)件上弦、柔性拉索下弦、中間連以撐桿形成的混合 結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)剛性上弦的不同構(gòu)成，張弦結(jié)構(gòu)體系可分為張弦梁、張弦平面桁架、索承網(wǎng) 殼等都多種結(jié)構(gòu)形式。7.有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個且按一定方式 相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。然后利用每一個單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表示全 求解域上待求的未知場函數(shù)，一旦求解出各個結(jié)點上的數(shù)值，就可以通過插值函數(shù)計算出 各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值，從而得到整個求解域上的近似解。圖1是根據(jù)本發(fā)明的使用機械運動模擬模型動態(tài)模擬張拉結(jié)構(gòu)的施工過程的方 法的流程圖。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種使用機械運動模擬模型動態(tài)模擬張拉結(jié)構(gòu)的施工 過程的方法，包括步驟102，從所述張拉結(jié)構(gòu)的有限元模型中提取用于建立機械運動模擬 模型的數(shù)據(jù)文件；步驟104，根據(jù)所述數(shù)據(jù)文件建立所述機械運動模擬模型；步驟106，采用 機械多剛體系統(tǒng)動力分析方法，結(jié)合所述機械運動模擬模型對所述張拉結(jié)構(gòu)的施工過程進 行時域特性仿真。
在上述技術(shù)方案中，所述步驟102包括提取確定所述有限元模型中的構(gòu)件的性 質(zhì)、形狀、位置和連接關(guān)系的數(shù)據(jù)，并將所述數(shù)據(jù)輸入所述數(shù)據(jù)文件。在上述技術(shù)方案中，所述步驟104包括根據(jù)所述數(shù)據(jù)文件，建立表示所述構(gòu)件的 剛性體，以及建立用于連接所述構(gòu)件的連接件，由此得到所述機械運動模擬模型。在上述技術(shù)方案中，所述構(gòu)件包括索、桿、梁和膜或其任意組合，所述索包括直線 索、懸垂索、直線放長索和懸垂縮短索或其任意組合，所述桿包括定長桿和伸縮桿或其任意 組合。在上述技術(shù)方案中，在所述構(gòu)件為所述直線索時，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的 過程包括在所述構(gòu)件為所述直線索時，建立第1剛性圓柱體、第2剛性圓柱體和第1軸套 以表示所述直線索，所述第1剛性圓柱體和所述第2剛性圓柱體在一條直線上，所述第1剛 性圓柱體的第一端對應(yīng)所述直線索的起點位置，所述第2剛性圓柱體的第二端對應(yīng)所述直 線索的終點位置，所述第1剛性圓柱體的第二端和所述第2剛性圓柱體的第一端通過所述 第1軸套連接，在所述第1軸套上設(shè)置所述直線索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第1剛性圓柱體、 所述第2剛性圓柱體和所述第1軸套的長度之和等于所述直線索的長度；在所述構(gòu)件為所 述懸垂索時，建立第3剛性圓柱體、第4剛性圓柱體和第2軸套以表示所述懸垂索，所述第3 剛性圓柱體的第一端和第二端分別對應(yīng)所述懸垂索的起點位置的中點位置，所述第4剛性 圓柱體的第一端和第二端分別對應(yīng)所述懸垂索的終點位置和中點位置，所述第3剛性圓柱 體的第二端和所述第4剛性圓柱體的第二端通過所述第2軸套連接，在所述第2軸套上設(shè) 置所述懸垂索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第3剛性圓柱體和所述第4剛性圓柱體的長度之和等 于所述懸垂索的長度；在所述構(gòu)件為所述直線放長索時，建立第5剛性圓柱體、第6剛性圓 柱體、第7剛性圓柱體、第3軸套和第1直線移動副以表示所述直線放長索，所述第5剛性 圓柱體、所述第6剛性圓柱體和所述第7剛性圓柱體在同一條直線上，所述第5剛性圓柱體 的第一端對應(yīng)所述直線放長索的起點位置，所述第7剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述直線放 長索的終點位置，所述第5剛性圓柱體和第二端和所述第6剛性圓柱體的第一端通過所述 第3軸套連接，在所述第3軸套上設(shè)置所述直線放長索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第6剛性圓柱 體的第二端和所述第7剛性圓柱體的第二端由所述第1直線移動副連接，在所述第1直線 移動副上設(shè)置第1千斤頂?shù)囊苿铀俣龋龅?剛性圓柱體、第6剛性圓柱體、所述第7剛 性圓柱體和所述第3軸套的長度之和為所述直線放長索的長度；在所述構(gòu)件為所述懸垂縮 短索時，建立第8剛性圓柱體、第9剛性圓柱體、第10剛性圓柱體、第4軸套和第2直線移 動副以表示所述懸垂縮短索，所述第8剛性圓柱體、所述第9剛性圓柱體和所述第10剛性 圓柱體在同一條直線上，所述第8剛性圓柱體的第一端和第二端分別對應(yīng)所述懸垂縮短索 的起點位置和中點位置，所述第9剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述懸垂縮短索的中點位置， 所述第10剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述懸垂縮短索的終點位置，所述第8剛性圓柱體的第 二端和所述第9剛性圓柱體的第一端通過所述第4軸套連接，在所述第4軸套上設(shè)置所述 懸垂縮短索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第9剛性圓柱體的第二端和所述第10剛性圓柱體的第二 端通過所述第2直線移動副連接，在所述第2直線移動副上設(shè)置第2千斤頂?shù)囊苿铀俣?，?述第8剛性圓柱體、所述第9剛性圓柱體和所述第10剛性圓柱體的長度之和為所述懸垂縮 短索的長度。在上述技術(shù)方案中，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程還包括在所述第1直線移動副上建立第1傳感器，所述第1傳感器用于根據(jù)所述第1千斤頂?shù)奈恢?，自動啟動或?止所述第1千斤頂；在所述第2直線移動副上建立第2傳感器，所述第2傳感器用于根據(jù)所 述第2千斤頂?shù)奈恢?，自動啟動或停止所述?千斤頂。在上述技術(shù)方案中，在所述構(gòu)件為所述桿時，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程 包括在所述構(gòu)件為所述定長桿時，建立第11剛性體以表示所述定長桿，所述第11剛性圓 柱體的第一端和第二端分別對應(yīng)所述定長桿的起點位置和終點位置；在所述構(gòu)件為所述伸 縮桿時，建立第12剛性圓柱體、第13剛性圓柱體和第3直線移動副以表示所述伸縮桿，所 述第12剛性圓柱體和所述第13剛性圓柱體在同一條直線上，所述第12剛性圓柱體的第一 端對應(yīng)所述伸縮桿的起點位置，所述第13剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述伸縮桿的終點位 置，所述第12剛性圓柱體的第二端和所述第13剛性圓柱體的第二端通過所述第3直線移 動副連接，在所述第3直線移動副上設(shè)置第3千斤頂?shù)囊苿铀俣取Ｔ谏鲜黾夹g(shù)方案中，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程還包括在所述第3直線 移動副上建立第3傳感器，所述第3傳感器用于根據(jù)所述第3千斤頂?shù)奈恢?，自動啟動或?止所述第3千斤頂。在上述技術(shù)方案中，在所述構(gòu)件為所述梁時，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程 包括建立多個等長的剛性短圓柱體和無質(zhì)量梁以表示所述梁，所述多個等長的所述剛性 短圓柱體在同一條直線上，所述剛性短圓柱體的第一個的第一端對應(yīng)所述梁的起點位置， 所述剛性短圓柱體的最后一個的第一端對應(yīng)所述梁的終點位置，在相鄰兩個所述剛性短圓 柱體之間建立所述無質(zhì)量梁，并在所述無質(zhì)量梁上設(shè)置慣性矩、彈性模量、剪切模量、截面 積和計算長度。在上述技術(shù)方案中，在所述構(gòu)件為所述膜時，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程 包括建立多個剛性三角板的組合以表示所述膜的形狀，在所述多個所述剛性三角板的頂 點之間的交點處建立第1實心球體，每一個所述交點處的所述第1實心球體和所述頂點由 第5軸套連接，并在所述第5軸套上設(shè)置所述膜的剛性系數(shù)、扭轉(zhuǎn)剛度和經(jīng)緯兩個方向的預(yù) 應(yīng)力。在上述技術(shù)方案中，建立用于連接所述構(gòu)件的連接件的過程包括在所述機械運 動模擬模型中，確定不包括所述膜的所述構(gòu)件的交點的對應(yīng)位置，在所述對應(yīng)位置上建立 第2實心球體，每一個所述對應(yīng)位置上的所述第2實心球體與剛性體由鉸連接或固接連接， 在所述第2實心球體上施加集中力。在上述技術(shù)方案中，所述步驟106包括通過所述時域特性仿真，獲取所需信息， 以即時表示所述張拉結(jié)構(gòu)的形狀變化和預(yù)應(yīng)力分布。在上述技術(shù)方案中，所述所需信息包括所需時間點上所述構(gòu)件靜力平衡的內(nèi)力 值，和所需時間段上所述構(gòu)件的位置、速度和所述內(nèi)力值隨時間變化的曲線。在上述技術(shù)方案中，所述步驟106還包括更新必要數(shù)據(jù)以更新所述數(shù)據(jù)文件，并 返回步驟102，其中，所述必要數(shù)據(jù)包括所述第1和2實心球體的位置，所述第1、2、3、4、5、 6、7、8、9、10、11、12和13剛性圓柱體的長度，所述第1、2、3和4軸套的預(yù)應(yīng)力，所述第1、2 和3千斤頂?shù)囊苿铀俣?，所述?、2和3傳感器的重新設(shè)置，所述剛性短圓柱體的長度，所 述無質(zhì)量梁上的所述計算長度，以及所述經(jīng)緯兩個方向的預(yù)應(yīng)力。圖2是功能模塊工作流程的示意圖。
11
如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例在國內(nèi)外首次采用機械多剛體系統(tǒng)動力學(xué) 分析方法對土建柔性結(jié)構(gòu)體系的施工過程進行時域特性仿真，即在仿真的每一時刻，均能 給出系統(tǒng)中每一部件的位置、速度和方位，以及約束和柔性連接中的約束力。具體方法如 下1)模型轉(zhuǎn)換土建結(jié)構(gòu)體系中的構(gòu)件都是柔性的(是可以變形的而且是有內(nèi)力變 化的)，但整個體系不能產(chǎn)生機構(gòu)運動；而機械系統(tǒng)中的部件是剛性的(不產(chǎn)生變形的也 就沒有內(nèi)力)，但整個系統(tǒng)可以產(chǎn)生某種協(xié)調(diào)的機構(gòu)運動。為了克服這個矛盾，采用的方法 是將一個柔性體構(gòu)件離散成多個剛性體，在相鄰剛性體之間建立柔性連接以模擬變形和內(nèi) 力，這樣整個系統(tǒng)既能產(chǎn)生協(xié)調(diào)的機構(gòu)運動，又能模擬出構(gòu)件的變形和內(nèi)力變化。結(jié)構(gòu)體系 既可以一次性將所有構(gòu)件創(chuàng)建好，也可以分階段建模。2)分階段系統(tǒng)狀態(tài)更新一般機械系統(tǒng)仿真時內(nèi)部構(gòu)件一般是不增加或減少的， 構(gòu)件的空間位置和內(nèi)力值只作為狀態(tài)參數(shù)儲存，并不作為顯式存在；而建筑施工過程中構(gòu) 件是分階段不斷添加的，所以需要將上一階段結(jié)束時構(gòu)件的空間位置和內(nèi)力值作為顯式變 量導(dǎo)出來，用來在下一階段重新建模時使用。3)可以采用正序添加法或逆序拆除法大跨度張拉空間結(jié)構(gòu)施工動態(tài)模擬中最 主要的施工機具是千斤頂，在機械系統(tǒng)中可以通過在剛體之間建立圓柱移動副并在移動副 上施加鉸驅(qū)動來模擬。這樣移動副的來回移動就可以模擬千斤頂頂出或回收的運動過程， 也就模擬了整個系統(tǒng)不斷張緊的正序建造過程，或系統(tǒng)分階段松弛的逆序拆除過程。4)與大跨度張拉空間結(jié)構(gòu)施工靜態(tài)模擬技術(shù)相比，不僅能得到在仿真的每一時 刻，系統(tǒng)中每一構(gòu)件靜力平衡的內(nèi)力值，還能得到在整個仿真時間段內(nèi)所有構(gòu)件的位置、速 度和內(nèi)力值隨著時間的連續(xù)變化曲線，即每一時刻整個體系結(jié)構(gòu)形狀和預(yù)應(yīng)力分布。不存 在力學(xué)指標(biāo)突變或機構(gòu)鎖死的現(xiàn)象無法檢驗的問題。5)通過在機械系統(tǒng)中創(chuàng)建傳感器和設(shè)立腳本控制仿真來完成比較復(fù)雜的仿真任 務(wù)傳感器可以在仿真過程中激發(fā)以下動作a)當(dāng)傳感器檢測到某事件發(fā)生時結(jié)束仿真。b)改變求解器步長以防止發(fā)散。c)改變仿真輸入量d)改變模型結(jié)構(gòu)在仿真腳本中，設(shè)計人員可以實現(xiàn)構(gòu)思整個仿真過程，例如在某個時刻激發(fā)或解 除某個千斤頂?shù)墓ぷ?，或在計算收斂困難時改變仿真步長和仿真總步數(shù)。通過這些手段，可 以將整個施工模擬過程從一個人為粗糙干預(yù)的近似模擬過程轉(zhuǎn)變成為一個半自動控制的 機械運動過程。此為機械虛擬樣機設(shè)計研究的常用手段，但在大型張拉空間結(jié)構(gòu)施工中應(yīng) 用確是首次。6)參數(shù)化建模和優(yōu)化分析根據(jù)分析需要，在建模時確定相關(guān)的關(guān)鍵變量，并將 這些關(guān)鍵變量設(shè)置為設(shè)計變量。在分析時，只需要改變這些設(shè)計變量值的大小，整個系統(tǒng)就 可以自動更新。有3種參數(shù)化的方法a)參數(shù)化點坐標(biāo)，修改點坐標(biāo)值，與參數(shù)化點相關(guān)聯(lián)的對象都將自動更改。b)參數(shù)化設(shè)計變量，如將柔性連接的剛度參數(shù)化。c)運動方式參數(shù)化，如將千斤頂?shù)囊苿铀俣葏?shù)化。
當(dāng)多個設(shè)計變量同時發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)的運動性能將會發(fā)生復(fù)雜的變化，這 時就需要優(yōu)化分析(即在一組可選的設(shè)計變量中，最小化或最大化某個目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)問 題的類型，可以采取不同的優(yōu)化算法以保證最優(yōu)設(shè)計處于合理的取值范圍)。例如幾十個千 斤頂同時工作，將每個千斤頂?shù)囊苿铀俣榷樵O(shè)計變量，通過優(yōu)化分析可以確定出每個千 斤頂?shù)囊苿铀俣鹊淖兓秶?，此時目標(biāo)函數(shù)是所有千斤頂受力總和最小，這樣就可以在施 工時使用較小噸位的千斤頂以降低施工費用。此為機械虛擬樣機設(shè)計研究的常用手段，但 在大型張拉空間結(jié)構(gòu)施工中是首次應(yīng)用。其中，模型轉(zhuǎn)換的具體步驟由于多剛體系統(tǒng)動力學(xué)分析方法對于機械仿真設(shè)計來說是很成熟的方法，很多種算法都能保證給出精確的數(shù)值解，所以對大型張拉空間結(jié)構(gòu)體系的施工過程進行時域特性 仿真的關(guān)鍵是模型轉(zhuǎn)換，即將大尺度的土建構(gòu)件用小尺度的機械部件來替代模擬而不減弱 計算準確性，如何把張拉空間結(jié)構(gòu)中廣泛使用而在機械設(shè)計中不常用的預(yù)應(yīng)力引入到模型 中，以及前面提到的用剛性體模擬柔性體，荷載等效轉(zhuǎn)換等等問題。只有這些問題都得到滿 意的解決，模擬的結(jié)果才能真實反映結(jié)構(gòu)體系的運動情況，所以模型轉(zhuǎn)換是本專利最有意 義的創(chuàng)新部分。具體方法如下1)添加節(jié)點球在所有索、桿、梁的交接點處添加一個實心球體，其目的有以下2點a)索、桿、梁可以分別與節(jié)點球建立各種可能的連接，如鉸接副、固定副、球形副、 萬向副等，以模仿各種可能的機械運動的約束連接。b)可以在節(jié)點球上施加集中力，使得模型轉(zhuǎn)換時荷載偏差最小。2)添加索因為索的種類很多，是張拉結(jié)構(gòu)中最重要的施工設(shè)備，所以共分成四 種建模類型a)直線索索在開始時是張緊的，這是最簡單最基本的一類索。做法是在起點與 終點直線之間先建立兩根剛性圓柱體，在圓柱體之間創(chuàng)建一個機械連接中常用的軸套(一 種可移動和旋轉(zhuǎn)的圓柱形金屬套管，用來模擬索的伸長和柔軟的轉(zhuǎn)動)。在軸套中可以設(shè)置 索的剛度、和預(yù)應(yīng)力。b)懸垂索索在開始時是松馳的，需要在空間先計算出懸垂折線中點，然后在起 點與懸垂折線中點，及懸垂折線中點與終點之間建立兩根剛性圓柱體，再在圓柱體之間創(chuàng) 建一個軸套。在軸套中設(shè)置索的剛度、和預(yù)應(yīng)力。c)直線放長索索在開始時是張緊的，但索端部安裝有千斤頂，在施工時索被千 斤頂不斷放長。做法是在起點與終點直線之間先建立三根剛性圓柱體，在前兩個圓柱體之 間創(chuàng)建一個軸套，在軸套中可以設(shè)置索的剛度、和預(yù)應(yīng)力。在后兩個圓柱體之間創(chuàng)建一個直 線移動副(移動副連接的兩個部件只能相對直線移動)，在移動副上設(shè)置千斤頂?shù)囊苿铀?度，在移動副上還可以添加傳感器，千斤頂移動到設(shè)定位置時，觸發(fā)傳感器，傳感器可以自 動停止千斤頂移動，或在一段時間后自動重啟千斤頂工作。d)懸垂縮短索索在開始時是松弛的，但索端部安裝有千斤頂，在施工時索被千 斤頂不斷收緊。需要在空間先計算出懸垂折線中點，做法是在起點、懸垂中點和終點之間的 折線上建立三根剛性圓柱體，在前兩個圓柱體之間創(chuàng)建一個軸套，在軸套中可以設(shè)置索的 剛度、和預(yù)應(yīng)力。在后兩個圓柱體之間創(chuàng)建一個直線移動副，在移動副上設(shè)置千斤頂?shù)囊苿铀俣?，在移動副上還可以添加傳感器，用來自動停止或重啟千斤頂移動。3)添加立柱桿立柱桿往往是一些非常粗壯的桿件，受到軸向壓力變形也很小，千斤頂經(jīng)常被安放在立柱底部起到頂升的作用，按照用途，可分成2種建模類型a)定長桿做法是在起點與終點直線之間建立一根剛性圓柱體。b)伸縮桿做法是在起點與終點直線之間建立二根剛性圓柱體，在兩個圓柱體之 間創(chuàng)建一個直線移動副，在移動副上設(shè)置千斤頂?shù)囊苿铀俣?，在移動副上還可以添加傳感 器，用來自動停止或重啟千斤頂移動。4)添加梁梁是土建設(shè)計中受力最復(fù)雜的構(gòu)件，轉(zhuǎn)換為機械設(shè)計中的部件也比較 復(fù)雜。首先在起點與終點直線之間先建立一組等長的剛性短圓柱體，然后在相鄰圓柱體之 間建立無質(zhì)量梁(沒有質(zhì)量，但可以在兩個部件之間傳遞力和力矩)，在無質(zhì)量梁上設(shè)置梁 的慣性矩、彈性模量、剪切模量、截面積和計算長度。最后根據(jù)實際情況在梁的起點和終點 設(shè)置鉸接或固定連接約束。5)添加膜膜不同于前面的一維構(gòu)件，它可以看成是由建立在三維空間中的很多 個很薄的二維三角形折面組合而成的，膜內(nèi)存在經(jīng)緯兩個方向的預(yù)應(yīng)力。轉(zhuǎn)換時在所有三 角形頂點處添加直徑很小的節(jié)點球，在每個三角形處用一個剛性三角形板來代替，在三角 形板和節(jié)點球之間的頂點處創(chuàng)建一個軸套，在軸套中可以設(shè)置膜的剛性系數(shù)、扭轉(zhuǎn)剛度和 預(yù)應(yīng)力。至此在大跨度張拉空間結(jié)構(gòu)中所有常用的構(gòu)件都已轉(zhuǎn)化為機械仿真模擬中的各 種部件，并構(gòu)成一個可以連續(xù)運動的整體。為此編制了一個通用轉(zhuǎn)換接口用于將土建結(jié)構(gòu) 有限元模型批處理快速轉(zhuǎn)化為機械仿真模擬的模型。其中，分階段系統(tǒng)狀態(tài)更新的具體步驟每安裝完一批構(gòu)件，整個結(jié)構(gòu)體系無論是形態(tài)還是內(nèi)力都有很大變化，因為機械 仿真只能模擬現(xiàn)有構(gòu)件的運動情況，當(dāng)需要安裝下一批構(gòu)件時，又需要把上一次模擬時的 最后結(jié)果導(dǎo)出來后，再添加上新一批構(gòu)件重新建模。需要更新的內(nèi)容包括1)節(jié)點球的空間位置；2)各種索的剛性圓柱體的長度，軸套內(nèi)的預(yù)應(yīng)力；3)移動副上千斤頂?shù)囊苿铀俣?，在移動副上傳感器的重新設(shè)置；4)梁的剛性圓柱體的長度，無質(zhì)量梁上梁的計算長度；5)膜內(nèi)經(jīng)緯兩個方向的預(yù)應(yīng)力。一般機械仿真模擬是一個連續(xù)運動過程，不會在運動時還要添加或刪除部件，所 以分階段系統(tǒng)狀態(tài)更新是土建施工模擬的特有的要求，也是能否在兩個專業(yè)交叉領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn) 融合的關(guān)鍵技術(shù)，否則模擬精度和工作效率將大大降低。在多剛體系統(tǒng)動力學(xué)分析的數(shù)值求解中多剛體系統(tǒng)動力學(xué)分析對于機械仿真設(shè)計來說是很成熟的方法，但卻是首次應(yīng)用 于大變形大跨度張拉空間結(jié)構(gòu)施工模擬中，在建模和求解器設(shè)置方面需要作一些必要的改 進。1)在建模時，考慮到大跨度張拉空間結(jié)構(gòu)是剛形體和柔性連接的混合體，且構(gòu)件 尺寸和移動變位都很大，相對于一般機械多為剛性體且是小尺寸小變形。要保證求解器迭 代計算收斂，剛性體之間的柔性連接必須約束住一部分自由度，即對于那些不可能的移動或轉(zhuǎn)動自由度要盡量提前消除，以保證迭代計算在尋找收斂路徑時能很快找到。2)分析的一般步驟是首先進行靜力學(xué)分析找到初始平衡位置；然后進行運動學(xué) 分析，以確定結(jié)構(gòu)約束設(shè)置是否合適，機構(gòu)能否運動得起來；最后進行動力學(xué)分析，求解出 各種作用力和位移變化值。在所有這些數(shù)值計算的時候，迭代計算有可能發(fā)散，可以采用以 下方法來保證計算結(jié)果收斂a)靜力學(xué)分析收斂后再進行動力學(xué)分析會縮短收斂的時間。b)在開始求解階段，結(jié)構(gòu)整體運動方向不明確的時候減小積分步長，當(dāng)結(jié)構(gòu)已經(jīng) 開始順暢運動的時候，可以加大積分步長盡快完成計算。c)添加一些輔助構(gòu)件和約束以明確結(jié)構(gòu)的運動方向。
其中，在機械系統(tǒng)仿真設(shè)計研究中廣泛應(yīng)用的傳感器和腳本控制仿真、參數(shù)化建 模和優(yōu)化分析、機械運動自動控制等高級技術(shù)過去都是應(yīng)用于小尺度和少變量體系，雖然 技術(shù)相對成熟，但應(yīng)用于大變形大跨度張拉空間結(jié)構(gòu)這種大尺度多變量體系的施工模擬 中，卻有很多問題，比如運動形式復(fù)雜，變形巨大，變量之間交叉影響，迭代計算收斂困難 等。目前這部分技術(shù)的使用還僅限于初級階段，若想將大跨度張拉空間結(jié)構(gòu)的施工模擬水 平提高到象精密機械全自動控制那樣的水平還需進一步努力。圖3是自編軟件功能模塊工作流程的示意圖如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計了新型結(jié)構(gòu)施工模擬軟件，可用在所有裝有MicrosoftWindows 操作系統(tǒng)的個人PC上。為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提供結(jié)構(gòu)在施工安裝過程中結(jié)構(gòu)形態(tài)、構(gòu)件內(nèi)力、 支座反力、位移、應(yīng)變等各種力學(xué)參數(shù)隨時間變化的動態(tài)顯示及動畫演示。該軟件是以 Adams2007機械設(shè)計軟件作為圖形支撐環(huán)境。功能模塊簡介系統(tǒng)主程序采用Visual C++ 2005對話框工程來進行開發(fā)，引用了 Visual C++ 2005的公共控件。Adams外掛模塊利用Adams開放的Macro命令接口共開發(fā)了 6個功能模 塊。包括1、主程序A、工程類型MFC對話框應(yīng)用程序EXE ；B、工程名稱SimulationC、編譯生成文件Simulation. exe2、在Adams軟件中加載Simul界面A、工程類型=Adams外掛模塊B、工程名稱SimulC、編譯生成文件Simul. cmd3、初始化模型A、工程類型=Adams外掛模塊B、工程名稱Initialize_ModelC、編譯生成文件:dbox_Simul_initialize_model. cmd4、建立節(jié)點、約束和集中荷載A、工程類型=Adams外掛模塊
B、工程名稱Add_Nodeball
C、編譯生成文件:dbox_Simul_add_nodeball. cmd5、建立索、桿構(gòu)件A、工程類型=Adams外掛模塊B、工程名稱Add_CableC、編譯生成文件:dbox_Simul_add_cable. cmd6、批處理建模A、工程類型=Adams外掛模塊B、工程名稱BatCmdC、編譯生成文件BatCmd. cmd7、模型坐標(biāo)、預(yù)應(yīng)力更新A、工程類型=Adams外掛模塊B、工程名稱Update_ModelC、編譯生成文件:dbox_Simul_update_model. cmd功能模塊工作流程各功能模塊采用面向過程的設(shè)計方法通過Adams主體框架相互調(diào)用以實現(xiàn)各自 的功能要求。各功能模塊內(nèi)部用例如圖4A-4G所示。程序功能模塊內(nèi)部工作流程在Simulation模塊內(nèi)部，有多個函數(shù)來實現(xiàn)不同的功能要求，主要包括以下5個 函數(shù)。即，批處理建模數(shù)據(jù)文件生成函數(shù)OnBnClickedBtbGeneratecmd,工作流程如圖5A所 示；大量實體同時修改一項數(shù)據(jù)OnBnClickedBtnColumnchangeO，工作流程如圖5B示；模 型整體更新坐標(biāo)和預(yù)應(yīng)力OnBnClickedBtnUpdatecoorforce ()，工作流程如圖5C所示；計 算模型兩個狀態(tài)之間距離的變化OnBnClickedBtnComputedistance ()，工作流程如圖5D所 示；計算構(gòu)件在零應(yīng)力時的原長OnBnClickedBtnGenoriginlenO。Simul模塊的工作流程如圖5E所示。Initialize_Model模塊的工作流程如圖5F所示。AdcLNodeball模塊工作流程如圖5G所示，在所有桿件的交點處添加球體，在球體 和各桿件之間建立鉸連接或固接，在球體上施加集中力。Add_Cable模塊的工作流程如圖5H所示，在機械設(shè)計中是沒有索這種構(gòu)件的，因 為索是柔性的，而機械構(gòu)件都是剛性的，但索在新型建筑結(jié)構(gòu)體系中是最廣泛應(yīng)用的構(gòu)件， 且種類多樣.為此我采用將多個直桿通過鉸接點連接起來的方法，用剛性桿模仿柔性索。 為了在索中施加預(yù)應(yīng)力，在其中2個直桿中間添加bushing節(jié)點并賦予剛度系數(shù)和預(yù)應(yīng)力 初值。為了模仿索在千斤頂張拉時的收緊或放長的過程，在其中2個直桿中間還可添加 cylindrical節(jié)點并施加motion.通過這些設(shè)置張拉結(jié)構(gòu)體系施工中的最常用的索的張拉 控制就能得到很好的模擬。在2個直桿中間還可添加cylindrical節(jié)點并施加motion.可 以模擬張拉結(jié)構(gòu)體系施工中的飛柱頂升或回落過程。Update_Model模塊的工作流程如圖51所示，機械運動是一個內(nèi)部構(gòu)件不會增加 減少的完整的運動過程，而土建施工中除了將現(xiàn)有構(gòu)件安裝到位以外，還需要不斷添加新構(gòu)件。所以，在第一種情況下，我們采用adams軟件中的傳感器技術(shù)來控制構(gòu)件安裝到位。在第二種情況下，我們編制了新的模塊更新了整個結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)位置和預(yù)應(yīng)力分布，然后在 新的初始位形下開始新一輪模擬。圖6A-6F是該實施例的程序操作界面的示意圖。在Simulation模塊中，內(nèi)部數(shù)據(jù)輸入包括1.模型名稱行列號格式 說明1-80字符串 模型名稱2.節(jié)點總數(shù)控制行列號格式 說明1-6整數(shù) 模型中節(jié)點總數(shù)3.節(jié)點數(shù)據(jù)列號格式 說明1-6整數(shù) 節(jié)點號，節(jié)點號從1開始連續(xù)增加直到最后一個節(jié)點7-16浮點數(shù) 節(jié)點X坐標(biāo)，單位米17-26 浮點數(shù) 節(jié)點Y坐標(biāo)，單位米27-36 浮點數(shù) 節(jié)點Z坐標(biāo)，單位米37-44 浮點數(shù) 節(jié)點球體半徑，單位米45-50 整數(shù)節(jié)點是固定還是自由，1 =自由，0 =固定。51-56 浮點數(shù) 節(jié)點荷載，負號代表荷載豎直向下。4.無千斤頂索總數(shù)控制數(shù)據(jù)列號格式 說明1-6整數(shù) 模型中無千斤頂索總數(shù)5.無千斤頂索數(shù)據(jù)列號格式 說明1-6整數(shù) 索編號，索號從1開始連續(xù)增加直到最后一個無千斤頂索7-12整數(shù) 索起始節(jié)點號13-19 整數(shù)索終點節(jié)點號20-30 浮點數(shù) 索長度，若大于直線長度則索下?lián)?，單位?1-41 浮點數(shù) 索半徑，單位米42-58 浮點數(shù) 索彈性模量與索面積的乘積，單位千牛59-70 浮點數(shù) 索內(nèi)預(yù)應(yīng)力，單位千牛6.飛柱總數(shù)控制數(shù)據(jù)列號格式 說明1-6整數(shù) 模型中無千斤頂飛柱總數(shù)7-13整數(shù) 模型中有千斤頂飛柱總數(shù)7.飛柱數(shù)據(jù)列號格式 說明1-6整數(shù) 飛柱編號，從1開始連續(xù)增加直到最后一個飛柱
7-12 整數(shù)飛柱起始節(jié)點號13-19 整數(shù)飛柱終點節(jié)點號20-30 浮點數(shù)飛柱長度，單位米31-41 浮點數(shù)飛柱半徑，單位米31-41浮點數(shù)千斤頂移動速度，單位米/秒，負號為伸長，正號為收縮8.有千斤頂索總數(shù)控制數(shù)據(jù)列號格式說明1-6整數(shù)模型中有千斤頂索總數(shù)9.有千斤頂索數(shù)據(jù)列號格式說明1-6整數(shù)索編號，索號從1開始連續(xù)增加直到最后一個有千斤頂索7-12整數(shù)索起始節(jié)點號13-19整數(shù)索終點節(jié)點號20-30浮點數(shù)索長度，若大于直線長度則索下?lián)?，單位?1-41浮點數(shù)索半徑，單位米42-58浮點數(shù)索彈性模量與索面積的乘積，單位千牛59-70浮點數(shù)索內(nèi)預(yù)應(yīng)力，單位千牛71-81浮點數(shù)千斤頂移動速度，單位米/秒，負號為伸長，正號為收縮10.梁總數(shù)控制數(shù)據(jù)列號格式說明1-6整數(shù)模型中梁總數(shù)11.梁數(shù)據(jù)列號 格式說明1-6 整數(shù)梁編號，梁號從1開始連續(xù)增加直到最后一根梁7-12 整數(shù)梁起始節(jié)點號13-19 整數(shù)梁終點節(jié)點號`20-30 浮點數(shù)梁容重，單位千牛/立方米31-41 浮點數(shù)梁截面積，單位平方米42-52 浮點數(shù)梁彈性模量，單位千牛/平方米53-63 浮點數(shù)梁剪切模量，單位千牛/平方米64-74 浮點數(shù)梁截面沿y軸慣性矩，單位4次方米75-85 浮點數(shù)梁截面沿ζ軸慣性矩，單位4次方米86-96 浮點數(shù)梁截面沿χ軸慣性矩，單位4次方米97-103 整數(shù)梁左端固接還是鉸接，0或1104-110整數(shù)梁右端固接還是鉸接，0或1111-117整數(shù)梁分段數(shù)12.膜總數(shù)控制數(shù)據(jù)列號 格式說明1-6 整數(shù)模型中膜單元總數(shù)
13.膜數(shù)據(jù)列號 格式說明1-6 整數(shù) 膜編號，膜號從1開始連續(xù)增加直到最后一塊膜7-12 整數(shù)膜第一節(jié)點號13-19 整數(shù)膜第二節(jié)點號20-26 整數(shù)膜第三節(jié)點號27-37 浮點數(shù) 膜單位面積重量，單位千牛/平方米38-48 浮點數(shù) 膜厚度，單位米49-59 浮點數(shù) 膜經(jīng)向彈性模量，單位千牛/平方米60-70 浮點數(shù) 膜緯向彈性模量，單位千牛/平方米71-81 浮點數(shù) 膜經(jīng)向預(yù)應(yīng)力，單位千牛/米82-92 浮點數(shù) 膜緯向預(yù)應(yīng)力，單位千牛/米93-100 浮點數(shù) 膜單元節(jié)點球體半徑，單位米14.迭代計算控制數(shù)據(jù)列號 格式說明1-6 整數(shù) 千斤頂抽動時間，單位秒7-13 整數(shù)迭代步總數(shù)通過上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例的描述，可以清楚的理解，根據(jù)本發(fā)明的技 術(shù)方案，可以良好地實現(xiàn)對大變形大跨度張拉結(jié)構(gòu)的施工模擬。 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種使用機械運動模擬模型動態(tài)模擬張拉結(jié)構(gòu)的施工過程的方法，其特征在于，包括步驟102，從所述張拉結(jié)構(gòu)的有限元模型中提取用于建立機械運動模擬模型的數(shù)據(jù)文件；步驟104，根據(jù)所述數(shù)據(jù)文件建立所述機械運動模擬模型；步驟106，采用機械多剛體系統(tǒng)動力分析方法，結(jié)合所述機械運動模擬模型對所述張拉結(jié)構(gòu)的施工過程進行時域特性仿真。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟102中，提取確定所述有限元 模型中的構(gòu)件的性質(zhì)、形狀、位置和連接關(guān)系的數(shù)據(jù)，并將所述數(shù)據(jù)輸入所述數(shù)據(jù)文件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟104包括根據(jù)所述數(shù)據(jù)文件，建立表示所述構(gòu)件的剛性體，以及建立用于連接所述構(gòu)件的連接 件，由此得到所述機械運動模擬模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)件包括索、桿、梁和膜或其任意組 合，所述索包括直線索、懸垂索、直線放長索和懸垂縮短索或其任意組合，所述桿包括定長 桿和伸縮桿或其任意組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在所述構(gòu)件為所述直線索時，建立表示所 述構(gòu)件的剛性體的過程包括在所述構(gòu)件為所述直線索時，建立第1剛性圓柱體、第2剛性圓柱體和第1軸套以表示 所述直線索，所述第1剛性圓柱體和所述第2剛性圓柱體在一條直線上，所述第1剛性圓柱 體的第一端對應(yīng)所述直線索的起點位置，所述第2剛性圓柱體的第二端對應(yīng)所述直線索的 終點位置，所述第1剛性圓柱體的第二端和所述第2剛性圓柱體的第一端通過所述第1軸 套連接，在所述第1軸套上設(shè)置所述直線索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第1剛性圓柱體、所述第 2剛性圓柱體和所述第1軸套的長度之和等于所述直線索的長度；在所述構(gòu)件為所述懸垂索時，建立第3剛性圓柱體、第4剛性圓柱體和第2軸套以表示 所述懸垂索，所述第3剛性圓柱體的第一端和第二端分別對應(yīng)所述懸垂索的起點位置的中 點位置，所述第4剛性圓柱體的第一端和第二端分別對應(yīng)所述懸垂索的終點位置和中點位 置，所述第3剛性圓柱體的第二端和所述第4剛性圓柱體的第二端通過所述第2軸套連接， 在所述第2軸套上設(shè)置所述懸垂索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第3剛性圓柱體和所述第4剛性 圓柱體的長度之和等于所述懸垂索的長度；在所述構(gòu)件為所述直線放長索時，建立第5剛性圓柱體、第6剛性圓柱體、第7剛性圓 柱體、第3軸套和第1直線移動副以表示所述直線放長索，所述第5剛性圓柱體、所述第6剛 性圓柱體和所述第7剛性圓柱體在同一條直線上，所述第5剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述 直線放長索的起點位置，所述第7剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述直線放長索的終點位置， 所述第5剛性圓柱體的第二端和所述第6剛性圓柱體的第一端通過所述第3軸套連接，在 所述第3軸套上設(shè)置所述直線放長索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第6剛性圓柱體的第二端和所 述第7剛性圓柱體的第二端由所述第1直線移動副連接，在所述第1直線移動副上設(shè)置第1 千斤頂?shù)囊苿铀俣?，所述?剛性圓柱體、第6剛性圓柱體、所述第7剛性圓柱體和所述第 3軸套的長度之和為所述直線放長索的長度；在所述構(gòu)件為所述懸垂縮短索時，建立第8剛性圓柱體、第9剛性圓柱體、第10剛性圓柱體、第4軸套和第2直線移動副以表示所述懸垂縮短索，所述第8剛性圓柱體的第一端和 第二端分別對應(yīng)所述懸垂縮短索的起點位置和中點位置，所述第9剛性圓柱體的第一端對 應(yīng)所述懸垂縮短索的中點位置，所述第10剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述懸垂縮短索的終 點位置，所述第8剛性圓柱體的第二端和所述第9剛性圓柱體的第一端通過所述第4軸套 連接，在所述第4軸套上設(shè)置所述懸垂縮短索的剛度和預(yù)應(yīng)力，所述第9剛性圓柱體的第二 端和所述第10剛性圓柱體的第二端通過所述第2直線移動副連接，在所述第2直線移動副 上設(shè)置第2千斤頂?shù)囊苿铀俣?，所述?剛性圓柱體、所述第9剛性圓柱體和所述第10剛 性圓柱體的長度之和為所述懸垂縮短索的長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程還包括在所述第1直線移動副上建立第1傳感器，所述第1傳感器用于根據(jù)所述第1千斤頂 的位置，自動啟動或停止所述第1千斤頂；在所述第2直線移動副上建立第2傳感器，所述第2傳感器用于根據(jù)所述第2千斤頂 的位置，自動啟動或停止所述第2千斤頂。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，在所述構(gòu)件為所述桿時，建立表示所述構(gòu)件的剛 性體的過程包括在所述構(gòu)件為所述定長桿時，建立第11剛性體以表示所述定長桿，所述第11剛性圓柱 體的第一端和第二端分別對應(yīng)所述定長桿的起點位置和終點位置；在所述構(gòu)件為所述伸縮桿時，建立第12剛性圓柱體、第13剛性圓柱體和第3直線移動 副以表示所述伸縮桿，所述第12剛性圓柱體和所述第13剛性圓柱體在同一條直線上，所述 第12剛性圓柱體的第一端對應(yīng)所述伸縮桿的起點位置，所述第13剛性圓柱體的第一端對 應(yīng)所述伸縮桿的終點位置，所述第12剛性圓柱體的第二端和所述第13剛性圓柱體的第二 端通過所述第3直線移動副連接，在所述第3直線移動副上設(shè)置第3千斤頂?shù)囊苿铀俣取?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，建立表示所述構(gòu)件的剛性體的過程還包括在所述第3直線移動副上建立第3傳感器，所述第3傳感器用于根據(jù)所述第3千斤頂 的位置，自動啟動或停止所述第3千斤頂。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在所述構(gòu)件為所述梁時，建立表示所述構(gòu) 件的剛性體的過程包括建立多個等長的剛性短圓柱體和無質(zhì)量梁以表示所述梁，所述多個等長的剛性短圓柱 體在同一條直線上，所述剛性短圓柱體的第一個的第一端對應(yīng)所述梁的起點位置，所述剛 性短圓柱體的最后一個的第二端對應(yīng)所述梁的終點位置，在相鄰兩個所述剛性短圓柱體之 間建立所述無質(zhì)量梁，并在所述無質(zhì)量梁上設(shè)置慣性矩、彈性模量、剪切模量、截面積和計 算長度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在所述構(gòu)件為所述膜時，建立表示所述 構(gòu)件的剛性體的過程包括建立多個剛性三角板的組合以表示所述膜的形狀，在所述多個剛性三角板的頂點之間 的交點處建立第1實心球體，每一個所述交點處的所述第1實心球體和所述頂點由第5軸 套連接，并在所述第5軸套上設(shè)置所述膜的剛性系數(shù)、扭轉(zhuǎn)剛度和經(jīng)緯兩個方向的預(yù)應(yīng)力。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，建立用于連接所述構(gòu)件的連接件的過 程包括在所述機械運動模擬模型中，確定不包括所述膜的所述構(gòu)件的交點的對應(yīng)位置，在所 述對應(yīng)位置上建立第2實心球體，每一個所述對應(yīng)位置上的所述第2實心球體與剛性體由 鉸連接或固接連接，在所述第2實心球體上施加集中力。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述步驟106包括通過所述時域特性仿真，獲取所需信息，以即時表示所述張拉結(jié)構(gòu)的形狀變化和預(yù)應(yīng) 力分布，其中所述所需信息包括所需時間點上所述構(gòu)件靜力平衡的內(nèi)力值，和所需時間段 上所述構(gòu)件的位置、速度和所述內(nèi)力值隨時間變化的曲線。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述步驟106還包括 更新必要數(shù)據(jù)以更新所述數(shù)據(jù)文件，并返回步驟102，其中，所述必要數(shù)據(jù)包括 所述第1和2實心球體的位置，所述第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13剛性圓柱體的長度，所述第1、2、3和4軸套的預(yù)應(yīng)力，所述第1、2和3千斤頂?shù)囊苿铀俣?，所述?、2 和3傳感器的重新設(shè)置，所述剛性短圓柱體的長度，所述無質(zhì)量梁上的所述計算長度，以及 所述經(jīng)緯兩個方向的預(yù)應(yīng)力。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種使用機械運動模擬模型動態(tài)模擬張拉結(jié)構(gòu)的施工的方法，包括步驟102，從所述張拉結(jié)構(gòu)的有限元模型中提取用于建立機械運動模擬模型的數(shù)據(jù)文件；步驟104，根據(jù)所述數(shù)據(jù)文件建立所述機械運動模擬模型；步驟106，采用機械多剛體系統(tǒng)動力分析方法，結(jié)合所述機械運動模擬模型對所述張拉結(jié)構(gòu)的施工過程進行時域特性仿真。通過上述方法，可以實現(xiàn)對張拉結(jié)構(gòu)進行良好的施工模擬。
文檔編號E04B1/34GK101798848SQ20101012073
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者葉小兵 申請人:北京紐曼帝萊蒙膜建筑技術(shù)有限公司